РК: А26 (канонические и параметрические уравнения), А27 (через две точки), А28 (две прямые в одной плоскости), А29 (расстояние от точки до прямой), А30 (между скрещивающимися), Б9, Б10 (выводы формул); дополнение из лекций: Г12 (прямая и плоскость). Прямая на плоскости — тема 8a. Задачи 425–432, 451–453, 460–466.
Суть
Прямая задаётся точкой M0 и направляющим вектором s=0: M на прямой ⟺M0M∥s. Все формулы расстояний выводятся одним приёмом: строим параллелограмм или параллелепипед на известных векторах и считаем его площадь (объём) двумя способами.
Уравнения прямой
Направляющий вектор (лекции, опр. 8.1) — любой ненулевой вектор, коллинеарный прямой. У прямой их бесконечно много, все пропорциональны.
Векторное (опр. 8.5): r=r0+ts, где r0=OM0 — радиус-вектор заданной точки, r — радиус-вектор любой точки прямой.
Канонические (А26, опр. 8.3): lx−x0=my−y0=nz−z0,M0(x0,y0,z0)∈L,s={l,m,n}. Нуль в знаменателе — не деление на ноль, а условие: например, 0x−1 означает x=1 (задачи 453, 457). Пример из лекции: 2x−1=5y+2=2z−7 — точка M0(1;−2;7), s={2,5,2}.
Через две точки (А27)M1,M2: s=M1M2, x2−x1x−x1=y2−y1y−y1=z2−z1z−z1.
Общие уравнения — как пересечение двух плоскостей (лекции; задачи 419, 421, 429, 462–464): {A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0s=n1×n2. Точку берут, подставив удобное значение одной переменной (например, z=0) и решив систему 2×2.
Две прямые
L1(M1,s1), L2(M2,s2).
В одной плоскости (А28) — пересекаются или параллельны — ⟺s1,s2,M1M2 компланарны: s1s2M1M2=0.
Как в лекции. Прямая задана общими уравнениями {A1x+B1y+C1z+D1=0,A2x+B2y+C2z+D2=0}, плоскость — Ax+By+Cz+D=0. Составляем систему из трёх уравнений. Единственное решение (одна общая точка) будет, когда A1A2AB1B2BC1C2C=0. Если определитель равен нулю, решений либо нет (прямая параллельна плоскости), либо бесконечно много (лежит в ней). Это тот же признак: определитель — смешанное произведение n1n2n=(n1×n2)⋅n=s⋅n.
Точка пересечения: подставить параметрические уравнения прямой в уравнение плоскости и найти t.
Пример.L: 2x−1=1y+1=−1z.
π1: x+y+3z−2=0. s⋅n=2+1−3=0, f(M0)=1−1+0−2=−2=0 — прямая параллельна плоскости, расстояние 112.
π2: x+2y+z−5=0. s⋅n=2+2−1=3=0 — пересекаются. (1+2t)+2(−1+t)+(−t)−5=3t−6=0, t=2, точка (5;1;−2).
Расстояние от точки до прямой (А29)
ρ(M1,L)=∣s∣∣M0M1×s∣.
Вывод (Б9)
Построим параллелограмм на векторах s и M0M1, отложенных от M0. Его площадь:
через векторное произведение: S=∣M0M1×s∣;
через основание и высоту: S=∣s∣⋅h, где h — высота, опущенная из M1 на прямую L, то есть h=ρ(M1,L).
Приравниваем: ∣s∣⋅ρ=∣M0M1×s∣. ■
Способ 2 — через скалярное произведение (проекцию). Разложим M0M1 на часть вдоль прямой и часть, перпендикулярную ей: p=s⋅sM0M1⋅ss,h=M0M1−p,ρ=∣h∣,H=M0+p. p — векторная проекция на направление прямой, h — перпендикуляр от прямой к точке, H — его основание. Проверка перпендикулярности: h⋅s=M0M1⋅s−s⋅sM0M1⋅s(s⋅s)=0. Если нужно только число, хватит теоремы Пифагора: ρ2=∣M0M1∣2−∣s∣2(M0M1⋅s)2.
Когда что брать: векторное произведение — короче, если нужно только расстояние (и так формулу пишут на РК); проекция — когда нужна ещё точка H (основание перпендикуляра, симметричная точка P′=2H−P) или задача на плоскости, где векторного произведения нет.
Расстояние между скрещивающимися прямыми (А30)
ρ(L1,L2)=∣s1×s2∣∣s1s2M1M2∣.
Вывод (Б10)
Прямые скрещиваются, поэтому s1,s2,M1M2 некомпланарны. Построим на них параллелепипед. Его объём:
через смешанное произведение: V=∣s1s2M1M2∣;
через основание и высоту: основание натянуто на s1,s2, Sосн=∣s1×s2∣; высота h — расстояние между параллельными плоскостями, содержащими L1 и L2 (обе параллельны s1 и s2), то есть h=ρ(L1,L2).
∣s1×s2∣⋅ρ=∣s1s2M1M2∣. ■
Если прямые параллельны, формула даёт 00: тогда расстояние равно расстоянию от любой точки одной прямой до другой (задача 464.2).
Общий перпендикуляр [не из конспекта; задачи 461–465]
Прямая, пересекающая L1 и L2 под прямым углом. Её направление n=s1×s2.
Способ 1 (точки-основания).P=M1+ts1, Q=M2+us2; из условий PQ⋅s1=0, PQ⋅s2=0 находим t,u. Ответ: прямая PQ, расстояние ∣PQ∣. Способ 2 (две плоскости). Плоскость через L1, содержащая n (нормаль s1×n), и плоскость через L2, содержащая n (нормаль s2×n). Общий перпендикуляр — их пересечение.
Пример. Расстояние от P(1,−1,2) до прямой 2x=1y−2=−1z+1 (задача 427).
Способ 2: M0P⋅s=2−3−3=−4, s⋅s=6, p=−32{2,1,−1}={−34,−32,32}. h={1,−3,3}−p={37,−37,37}, ρ=373=37 — то же. Основание перпендикуляра H=M0+p=(−34;34;−31).
Типичные ошибки
Искать угол между прямой и плоскостью через косинус угла s и n: нужен синус, потому что n перпендикулярна плоскости.
Применять формулу для скрещивающихся к параллельным прямым (получается 00).
Взять за направляющий вектор прямой, заданной двумя плоскостями, одну из нормалей вместо n1×n2.
Читать 0x−1 как «не определено»: это уравнение x=1.
Записать A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0 как «уравнение прямой через точку и нормаль». В пространстве это плоскость: у прямой в пространстве нормаль не одна. Так можно писать только на плоскости, с двумя слагаемыми (тема 8a).