РК: А22 (общее уравнение и уравнение в отрезках), А23 (через три точки), А24 (взаимное расположение), А25 (расстояние от точки), Б8 (вывод формулы расстояния); дополнения из лекций: Г10 (нормальное уравнение), Г11 (расстояние между параллельными плоскостями). Задачи 416–424, 431–448, 454–459.
Суть
Плоскость задаётся точкой M0 и нормалью n⊥ плоскости: точка M лежит в плоскости ⟺n⋅M0M=0. Раскрыв скалярное произведение, получаем линейное уравнение Ax+By+Cz+D=0, где {A,B,C}=n. Почти любая задача сводится к поиску одной точки и нормали.
Уравнения плоскости
Через точку и нормаль (лекции, §10, задача 3; с него начинаются задачи): A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0,n={A,B,C}=0.
Общее (А22):Ax+By+Cz+D=0, n={A,B,C}⊥ плоскости. Частные случаи: D=0 — проходит через начало координат; C=0 — параллельна оси Oz (нет z); A=B=0 — параллельна Oxy.
В отрезках (А22):ax+by+cz=1, где a,b,c — отрезки, отсекаемые на осях Ox,Oy,Oz (все =0, плоскость не проходит через начало).
Через три точки (А23)M1,M2,M3, не лежащие на одной прямой: векторы M1M,M1M2,M1M3 компланарны: x−x1x2−x1x3−x1y−y1y2−y1y3−y1z−z1z2−z1z3−z1=0.
Через точку и два неколлинеарных вектораm1={a1,b1,c1}, m2={a2,b2,c2} (лекции, опр. 10.1). Точка M в плоскости ⟺M0M=um1+vm2; по координатам — параметрические уравнения: x=x0+ua1+va2,y=y0+ub1+vb2,z=z0+uc1+vc2,u,v∈R. Иначе: M0M,m1,m2 компланарны, то есть x−x0a1a2y−y0b1b2z−z0c1c2=0. Раскрыв определитель по первой строке, получаем общее уравнение (опр. 10.2): коэффициенты A,B,C — миноры, то есть n=m1×m2. Уравнение через три точки — частный случай: m1=M1M2, m2=M1M3.
Векторные уравнения (лекции): (r−r0)⋅n=0 или r=r0+um1+vm2, где r0=OM0, r=OM — радиус-векторы.
В прямоугольной СК пусть n0={cosα,cosβ,cosγ} — единичная нормаль, направленная от начала координат к плоскости, p≥0 — расстояние от O до плоскости. Тогда xcosα+ycosβ+zcosγ−p=0. Почему: для любой точки M плоскости OM⋅n0=Прn0OM=p — проекция радиус-вектора на нормаль одна и та же, это и есть расстояние от O.
Как получить из общего: умножить Ax+By+Cz+D=0 на нормирующий множитель μ=±A2+B2+C21,знакμпротивоположензнакуD (тогда свободный член μD=−p≤0). При D=0 знак любой.
Пример.2x−y+2z+6=0: ∣n∣=3, D>0, значит μ=−31: −32x+31y−32z−2=0, p=2 — плоскость в двух единицах от начала.
Взаимное расположение двух плоскостей (А24)
Пусть n1={A1,B1,C1}, n2={A2,B2,C2}.
Расположение
Условие
перпендикулярны
n1⋅n2=A1A2+B1B2+C1C2=0
параллельны (различны)
A2A1=B2B1=C2C1=D2D1
совпадают
A2A1=B2B1=C2C1=D2D1
пересекаются
нормали неколлинеарны
угол между плоскостями
cosφ=∣n1∣∣n2∣∣n1⋅n2∣ (угол ≤2π)
Условие параллельности записано как A2A1=B2B1=C2C1 — оно верно и для совпадающих плоскостей. Если в ответе нужна именно параллельность различных плоскостей, допиши =D2D1. Нули в знаменателях понимаются как пропорция: n1=λn2.
Расстояние от точки до плоскости (А25)
ρ(M0,π)=A2+B2+C2∣Ax0+By0+Cz0+D∣.
Вывод (Б8)
Возьмём на плоскости π любую точку M1(x1,y1,z1): Ax1+By1+Cz1+D=0, то есть D=−(Ax1+By1+Cz1). Искомое расстояние — модуль проекции M1M0 на нормаль: ρ=ПрnM1M0=∣n∣∣M1M0⋅n∣. Считаем числитель: M1M0⋅n=A(x0−x1)+B(y0−y1)+C(z0−z1)=Ax0+By0+Cz0−(Ax1+By1+Cz1)=Ax0+By0+Cz0+D. Знаменатель ∣n∣=A2+B2+C2. ■
Через нормальное уравнение (так выводит лектор, §12): подставив точку в левую часть нормального уравнения, получаем отклонениеδ=x0cosα+y0cosβ+z0cosγ−p, и ρ=∣δ∣. Это та же формула: δ=μ(Ax0+By0+Cz0+D).
Знакf(M)=Ax+By+Cz+D показывает, с какой стороны плоскости лежит точка: точки с одинаковым знаком — по одну сторону [не из конспекта; нужно в задачах 434, 443–449].
Расстояние между параллельными плоскостями (Г11) Ax+By+Cz+D1=0 и Ax+By+Cz+D2=0 (коэффициенты при x,y,zодинаковые): ρ=A2+B2+C2∣D1−D2∣. Если коэффициенты пропорциональны, A1=kA2, B1=kB2, C1=kC2, формула из лекций (§11) делит первое уравнение на k: ρ=A22+B22+C22kD1−D2. Пример (задача 438): 2x−4y−2z−1=0 и 3x−6y−3z+1=0, k=32: ρ=54∣−23−1∣=3656.
Пучок плоскостей и биссекторные плоскости [не из конспекта; задачи 424, 441–447, 456]
Пучок — все плоскости, проходящие через прямую {Π1=0,Π2=0}: α(A1x+B1y+C1z+D1)+β(A2x+B2y+C2z+D2)=0,α2+β2=0. Удобно, когда нужна плоскость «через линию пересечения … и ещё одно условие»: одно условие определяет отношение α:β.
Биссекторные плоскости двугранных углов — точки, равноудалённые от двух плоскостей: A12+B12+C12A1x+B1y+C1z+D1=±A22+B22+C22A2x+B2y+C2z+D2.
Острый или тупой угол. Точка M лежит в остром двугранном угле ⟺f1(M)f2(M)(n1⋅n2)<0. Биссектор острого угла: знак «+», если n1⋅n2<0, и знак «−», если n1⋅n2>0.
Почему так [не из конспекта]
Область {f1>0,f2>0} — двугранный угол, из которого нормали n1,n2 «смотрят внутрь». Его величина равна π−∠(n1,n2). Она острая ⟺∠(n1,n2)>2π⟺n1⋅n2<0. Смена знака f2 — это замена n2 на −n2, поэтому для области {f1>0,f2<0} условие обратное. Вместе: острый угол ⟺f1f2(n1⋅n2)<0. Внутри угла знаки f1,f2 постоянны, поэтому его биссектор — та из двух плоскостей, на которой ∣n1∣f1 и ∣n2∣f2 имеют знаки этого угла.
Пример. Плоскость через M0(1,−1,2) параллельно 2x−y+3z−5=0; расстояние между ними.
Решение
Нормаль та же: 2(x−1)−(y+1)+3(z−2)=0⟺2x−y+3z−9=0. ρ=4+1+9∣−9−(−5)∣=144.
Типичные ошибки
Считать расстояние между параллельными плоскостями по ∣D1−D2∣, не приведя коэффициенты при x,y,z к одинаковым (задача 438).
Забыть модуль в формуле расстояния или в косинусе угла между плоскостями.
В нормальном уравнении взять знак нормирующего множителя как у D: тогда p выйдет отрицательным. Знак μпротивоположен знаку D.
Написать A2A1=… при A2=0 и «делить на ноль»: пропорция означает n1=λn2.
В биссекторах не нормировать: делить нужно на длины нормалей.