Как сделать уравнение плоскости

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 28.08.2024

Для начала стоит напомнить, как выглядит общее уравнение плоскости:

$Ax \cdot + By + Cz + D = 0\left(1\right)$,

при этом: $\$ — координаты нормального вектора данной плоскости, а $D$ — свободный член.

В общем уравнении коэффициенты $A, B, C$ не могут быть одновременно равны нулю, если же один из коэффициентов нулевой — уравнение называется неполным. При $D=0$ плоскость проходит через центр осей координат.

Также в дальнейшем нам пригодится уравнение плоскости, заданной точкой, лежащей в данной плоскости и нормальным вектором:

здесь $(x_0; y_0; z_0)$ — координаты точки плоскости.

Теперь непосредственно к делу.

Уравнение плоскости через три точки можно выразить несколькими способами: с помощью смешанного произведения векторов и выразив сначала нормальный вектор плоскости и используя одну точку.

Уравнение плоскости, проходящей через 3 точки, через смешанное произведение векторов

Рассмотрим три точки $M_1, M_2, M_3$, не находящиеся на одной прямой. Соответственно аксиоме стереометрии о том, что три точки задают плоскость, и притом только одну, все эти точки лежат в одной плоскости $a$.

Рисунок 1. Плоскость через 3 точки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим точку $M$, лежащую в плоскости $a$. Если описать плоскость $a$ как множество точек $M$, вектора $\vec$, $\vec$ и $\vec$ должны быть компланарны между собой. А как известно, вектора компланарны между собой если их смешанное произведение равно нулю.

Соответственно, для того чтобы вычислить это смешанное произведение, необходимо вычислить определитель третьего порядка, каждая строка которого является координатами вышеперечисленных векторов.

Готовые работы на аналогичную тему

Пусть координаты точек $M, M_1, M_2, M_3$ — $(x; y; z), (x_1;y_1; z_1), (x_2;y_2; z_2), (x_3;y_3;z_3)$ соответственно. Тогда координаты каждого из вышеперечисленных векторов составят:

Составим определитель, описывающий смешанное произведение векторов:

$\begin <|ccc|>x-x_1 && y-y_1 && z-z_1 \\ x_2-x_1 && y_2-y_1 && z_2-z_1 \\ x_3-x_1 && y_3-y_1 &&z_3-z_1 \\ \end=0$ — уравнение плоскости через 3 точки.

При вычислении этого определителя получается общее уравнение плоскости, проходящей через три точки. Это можно увидеть, раскрыв определитель по первой строке:

$\begin <|cc|>y_2-y_1 && z_2-z_1 \\ y_3-y_1 &&z_3-z_1 \\ \end \cdot ( x-x_1) + \begin <|cc|>x_2-x_1 && z_2-z_1 \\ x_3-x_1 &&z_3-z_1 \\ \end \cdot (y-y_1) + \begin <|cc|>x_2-x_1 && y_2-y_1 \\ x_3-x_1 && y_3-y_1 \\ \end \cdot (z-z_1) = 0\left(3\right)$.

Коэффициенты из уравнения $(3)$ также совпадают с координатами векторного произведения $\vecx\vec$ и, так как два этих вектора неколлинеарны и параллельны рассматриваемой плоскости $a$, данное векторное произведение представляет собой нормальный вектор к плоскости, для которой составляется уравнение.

Уравнение плоскости, заданной 3 точками, через нормальный вектор и точку

Другим альтернативным методом задания плоскости является использование нормального вектора плоскости и точки, принадлежащей данной плоскости.

Для того чтобы воспользоваться данным методом, найдём векторное произведение векторов $\vec$ и $\vec$:

$[\vec x \vec]= \begin <|ccc|>\vec &&\vec &&\vec \\ x_2-x_1 &&y_2-y_1 &&z_2-z_1 \\ x_3-x_1 &&y_3-y_1 &&z_3-z_1 \\ \end=0$.

Данное произведение является нормальным вектором плоскости, для которой составляется уравнение. Полученные координаты нормального вектора можно использовать непосредственно для составления уравнения плоскости.

Зная точку, принадлежащую этой плоскости, можно подставить координаты нормального вектора и координаты точки в уравнение $(2)$ и получить уравнение плоскости:

В этом уравнении $n_x; n_y; n_z$ — координаты нормального вектора, определённого из векторного произведения векторов $\vec$ и $\vec$, а $(x_3; y_3; z_3)$ — некая точка, принадлежащая данной плоскости.

По сути, два вышеприведённых метода представляют одно и то же, так как в обоих необходимо найти координаты нормального вектора и затем, используя их и координаты третьей неиспользованной точки, получить уравнение самой плоскости.

К данной задаче можно также свести задачу с нахождением уравнения плоскости по уравнениям лежащих в ней параллельных и пересекающихся прямых.

Cоставить уравнение плоскости, проходящей через 3 точки $M_1,M_2, M_3$ c координатами $(1;2;3), (1;2;4)$ и $(4;2;-1)$ соответственно.

Воспользуемся вторым способом и найдём координаты вектора через векторное произведение. Для этого сначала выразим координаты векторов:

Найдём их векторное произведение:

$[\vec x \vec]= \begin <|ccc|>\vec && \vec && \vec \\ 0 &&0 &&1 \\ 3 &&0 &&-4 \\ \end=\vec \cdot \begin<|cc|>\\ 0 &&1 \\ 0 &&-4 \\ \end + \vec \cdot \begin <|cc|>\\ 0 &&1 \\ 3 &&-4 \\ \end + \vec \cdot \begin <|cc|>\\ 0 &&0 \\ 3 &&0 \\ \end=0+(-3) \cdot \vec + 0 \Rightarrow \vec=\$.

Во многих стереометрических задачах, связанных с нахождением расстояния от точки до плоскости или расстояния между скрещивающимися прямыми, или угла между плоскостями, требуется найти уравнение плоскости. В этой статье я расскажу, как найти уравнение плоскости, если известны координаты трех точек, через которые она проходит.

Уравнение плоскости имеет вид: , где , , и - числовые коэффициенты.

Пусть нам нужно написать уравнение плоскости, которая проходит через точки , и

Так как точки принадлежат плоскости, то при подстановке их координат в уравнение плоскости, мы получим верные равенства.

Так как у нас три точки, мы должны получить систему из трех уравнений с четырьмя неизвестными. Примем коэффициент равным 1. Для этого разделим уравнение плоскости на . Получим:

Мы можем переписать это уравнение в виде:

Внимание! Если плоскость проходит через начало координат, то принимаем d=0.

Чтобы найти коэффициенты А, В и С, подставим координаты точек , и в уравнение плоскости .

Получим систему уравнений:

Решив ее, мы найдем значения коэффициентов А, В и С.

В правильной четырехугольной призме со стороной основания 12 и высотой 21 на ребре взята точка так, что равно 8. на ребре взята точка так, что равно 8. Написать уравнение плоскости :

Поскольку для нахождения уравнения плоскости нам понадобятся координаты точек, я сразу помещаю призму в систему координат:

Запишем координаты точек:

Подставим их в систему уравнений:

Подставим найденные коэффициенты в уравнение плоскости:

. Получим:

Определение. Плоскость - есть поверхность, полностью содержащая, каждую прямую, соединяющую любые её точки.

Общее уравнение плоскости

Любую плоскость можно задать уравнением плоскости первой степени вида

A x + B y + C z + D = 0

где A, B и C не могут быть одновременно равны нулю.

Уравнение плоскости в отрезках

Если плоскость пересекает оси OX, OY и OZ в точках с координатами ( a , 0, 0), (0, b , 0) и (0, 0, с ), то она может быть найдена, используя формулу уравнения плоскости в отрезках

Уравнение плоскости, проходящей через точку, перпендикулярно вектору нормали

Чтобы составить уравнение плоскости, зная координаты точки плоскости M( x ₀, y ₀, z ₀) и вектора нормали плоскости n = < A; B; C >можно использовать следующую формулу.

Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки, не лежащие на одной прямой

Если заданы координаты трех точек A( x ₁, y ₁, z ₁), B( x ₂, y ₂, z ₂) и C( x ₃, y ₃, z ₃), лежащих на плоскости, то уравнение плоскости можно найти по следующей формуле

Любые нецензурные комментарии будут удалены, а их авторы занесены в черный список!

Определение. Направляющими векторами плоскости называются два неколлинеарных вектора, лежащих в этой плоскости.

Уравнения плоскости в координатной форме

при этом вектор с координатами является нормальным вектором к плоскости.

Уравнение плоскости, проходящей через три точки, не лежащие на одной прямой, можно получить, если решить систему уравнений

Здесь и — координаты трёх точек плоскости. Заметим, что уравнений в системе три, а переменных — четыре. То есть решение этой системы мы получаем с точностью до коэффициента. Этот коэффициент роли не играет — после подстановки решения в уравнение плоскости на него можно сократить. Рассмотрим это на примере.

Пример. Составить уравнение плоскости, проходящей через точки и

Решение. Составляем систему уравнений

Числа выражаем через :

Получаем уравнение плоскости

или, после сокращения на ,

Параметрические уравнения плоскости:

Здесь — некоторая точка плоскости, и — координаты направляющих веторов плоскости, — параметры.

Уравнения плоскости в векторном виде

Векторное параметрическое уравнение плоскости:

где — направляющие векторы плоскости, — радиус-вектор некоторой фиксированной точки плоскости.

Это уравнение также можно записать в виде

То есть для того, чтобы вектор был радиус-вектором некоторой точки плоскости, необходимо, чтобы вектора и лежали в одной плоскости, то есть их смешанное произведение было равно нулю.

Нормальное векторное уравнение плоскости:

где — нормальный вектор плоскости.

Это уравнение также можно записать в виде

Если вектор — единичный (его длина равна ), то величина есть расстояние от точки до плоскости. Смысл этого уравнения в том, что проекция радиус-вектора любой точки плоскости на нормаль к ней есть постоянная величина, равная расстоянию до этой плоскости.

Уравнение плоскости, проходящей через три точки с радиус-векторами и можно записать в векторном виде:

Если радиус векторы имеют соответственно координаты то в координатной форме это уравнение запишется так:

Читайте также: