Взаимное расположение прямых в пространстве

Пусть даны две прямые и .

Очевидно, что прямые лежат в одной плоскости тогда и только тогда, когда векторы , и компланарны, т. е.

= 0 . (1.9)

Если в (1.9) первые две строки пропорциональны, то прямые параллельны. Если все три строки пропорциональны, то прямые совпадают. Если условие (1.9) выполнено и первые две строки не пропорциональны, то прямые пересекаются.

Если же ¹ 0, то прямые являются скрещивающимися.

Задачи на прямую и плоскость в пространстве

Прямая, как пересечение двух плоскостей

Пусть заданы две плоскости

А₁х + В₁у + С₁z + D₁ = 0,

А₂х + В₂у + С₂z + D₂ = 0.

Если плоскости не являются параллельными, то нарушается условие

.

Пусть, например ¹ . Найдём уравнение прямой, по которой пересекаются плоскости. В качестве направляющего вектора искомой прямой можно взять вектор

= × = = .

Чтобы найти точку, принадлежащую искомой прямой, фиксируем некоторое значение z = z₀ и решая систему

,

получаем значения х = х₀, у = у₀. Итак, искомая точка М(х₀; у₀; z₀).

Искомое уравнение

.

Взаимное расположение прямой и плоскости

Пусть задана прямая , , и плоскость А₁х + В₁у + С₁z + D₁ = 0. Чтобы найти общие точки прямой и плоскости, необходимо решить систему их уравнений

откуда А₁( ) + B₁( ) + C₁( ) + D₁ = 0,

(A_{1 1} + B_{1 2} + C_{1 3})t + (A₁x₀ + B₁y₀ + C₁z₀ + D₁) = 0.

Если А₁ + В₁ + С₁ ¹ 0, то система имеет единственное решение

t = t₀ = – .

В этом случае прямая и плоскость пересекаются в единственной точке М₁(х₁; у₁; z₁), где , , .

Если A_{1 1} + B_{1 2} + C_{1 3} = 0, А₁x₀ + В₁y₀ + С₁z₀ + D₁ ¹ 0, то прямая и плоскость не имеют общих точек, т. е. параллельны.

Если же A_{1 1} + B_{1 2} + C_{1 3} = 0, А₁x₀ + В₁y₀ + С₁z₀ + D₁ = 0, то прямая принадлежит плоскости.

Угол между прямой и плоскостью

Найдём угол j между прямой = = и плоскостью А₁х + В₁у + С₁z + D₁ = 0.

Поскольку вектор = (А₁; В₁; С₁) образует с направляющим вектором = угол y = – j или y = + j (рисунки 1.3 и 1.4), то

Рисунок 1.3

cosy = cos( – j) или cosy = cos( + j), откуда cosy = sinj или cosy = – sinj.

Рисунок 1.4

Значит,

sinj =ôcosyô= .

Расстояние от точки до плоскости

Пусть плоскость задана общим уравнением Ах +Ву + Сz +D = 0. Расстояние от точки М(х₀; у₀; z₀) до данной плоскости вычисляется по формуле

d = .

Поверхности второго порядка

Цилиндры второго порядка

Определение 1.3. Цилиндрической поверхностьюназывается поверхность, описываемая прямой (образующей),движущейся вдоль некоторой линии (направляющей) и остающейся параллельной исходному направлению.

Определение 1.4. Цилиндром второго порядканазывается цилиндрическая поверхность, направляющей которой является эллипс (окружность), гипербола или парабола.

Рассмотрим цилиндры второго порядка, у которых образующая параллельна оси Оz (рисунки 1.5, 1.6, 1.7).

1) Эллиптический цилиндр     Рисунок 1.5 В частности эллиптический цилиндр имеет в качестве направляющей окружность. Его уравнение или .

2) Гиперболический цилиндр Рисунок 1.6 –

3) Параболический цилиндр     Рисунок 1.7 х2 = 2ру