Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
AGr2204LK010.doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
06.11.2018
Размер:
456.19 Кб
Скачать

3. Взаимное расположение плоскостей. Углы между плоскостями.

Теорема 1. Пустьидве плоскости, заданные своими общими уравнениями в аффинной системе координат:

: A1x + B1y + C1z + D1 = 0,

: A2x + B2y + C2z + D2 = 0,

A12 + B12+ C12  0, A22 + B22+ C22  0;

.

Тогда справедливы утверждения:

  1. плоскости  и  пересекаются тогда и только тогда, когда

rang A = rang A = 2;

  1. плоскости  и  параллельны тогда и только тогда, когда

rang A = 1, rang A = 2;

  1. плоскости  и  совпадают тогда и только тогда, когда

rang A = rang A = 1.

Доказательство. Рассмотрим систему линейных уравнений:

(1)

Применим к исследованию системы (1) теорему Кронекера-Капелли.

Рассмотрим матрицу и расширенную матрицы системы (1):

.

Так как матрица А ненулевая, то rang A  1. Имеем rang A = rang A, rang A  rang A  2. Тогда возможны следующие случаи:

1) rang A = rang A = 2. По теореме Кронекера- Капелли система (1) разрешима и плоскости  и  имеют общие точки. Так как при решении системы (1) методом Гаусса число свободных неизвестных равно 1, а не двум, то не все решения системы (1) являются решениями первого уравнения системы и плоскости  и  не совпадают. Следовательно, плоскости  и  пересекаются.

2) rang A = 1, rang A = 2. Тогда система (1) не имеет решений, и плоскости  и  не имеют общих точек, а поэтому параллельны.

  1. rang A = rang A = 1. Тогда при приведении системы (1) к ступенчатому виду в системе останется одно из уравнений исходной системы, и система равносильна одному из уравнений системы (1). Следовательно, множество решений системы (1) совпадает с множеством решений одного из уравнений системы (1) и плоскости  и  совпадают.

Обратные утверждения легко доказываются методом от противного. Пусть плоскости пересекаются. Докажем, что rang A = rang A = 2. Допустим противное. Тогда rang A = 1, rang A = 2 или rang A = rang A = 1. Отсюда, по доказанному выше,    или  = . Получаем противоречие с условием. Следовательно, допущение неверно и rang A = rang A = 2. Аналогично рассматриваются случаи    или  = .

Нетрудно проверить, что ранг двухстрочной матрицы равен 1 тогда и только тогда, когда ее строки пропорциональны (проверьте самостоятельно). Тогда из теоремы 1 получаем следующее следствие.

Следствие. 1) Плоскости  и  пересекаются тогда и только тогда, когда коэффициенты при соответствующих неизвестных в уравнениях плоскостей непропорциональны:

(2)

2) Плоскости  и  параллельны тогда и только тогда, когда коэффициенты при соответствующих неизвестных в уравнениях плоскостей пропорциональны и не пропорциональны свободным членам:

. (3)

3) Плоскости исовпадают тогда и только тогда, когда коэффициенты при соответствующих неизвестных в уравнениях плоскостей пропорциональны и пропорциональны свободным членам:

. (4)

Замечание 1. Совпадающие плоскости в некоторых случаях считаются также и параллельными, и в этом случае условие параллельности плоскостей может быть записано в виде:

.

Взаимное расположение трех плоскостей.

Пусть ,  и  три плоскости, заданные своими общими уравнениями в аффинной системе координат:

: A1x + B1y + C1z + D1 = 0,

: A2x + B2y + C2z + D2 = 0,

: A3x + B3y + C3z + D3 = 0,

A12 + B12+ C12  0, A22 + B22+ C22  0, A32 + B32+ C32  0. Рассмотрим систему трех уравнений

(5)

и матрицы

.

Заметим, что rang A  rang A и ранги матриц A и A могут отличаться только на единицу. Тогда возможны следующие случаи:

1. rang A = rang A = 3. Тогда система (5) имеет единственное решение и плоскости , ,  пересекаются в одной точке (см. Рис. 10).

2. rang A = rang A = 2. Тогда система (5) имеет бесконечно много решений и плоскости , ,  пересекаются по прямой. При этом, если строки матрицы непропорциональны, то среди плоскостей , ,  нет совпадающих (см. рис 11). Если две строки матрицы пропорциональны, то соответствующие плоскости совпадают (см. Рис. 12).

3. rang A = rang A = 1. Тогда система (5) имеет бесконечно много решений и плоскости , ,  совпадают (см. рис 14).

4. rang A =2, rang A = 3. Тогда система (5) не имеет решений. Если среди строк матрицы A нет пропорциональных, то все три плоскости пересекаются друг с другом и не пересекаются вместе (см. рис 15). Если две из строк матрицы A пропорциональны, то две из плоскостей параллельны и третья их пересекает (см. рис 16).

5. rang A =1, rang A = 2. Тогда система (5) не имеет решений. Если среди строк матрицы A есть пропорциональных, то все две плоскости совпадают друг с другом, а третья им параллельна (см. рис. 17). Если среди строк матрицы A нет пропорциональных строк, то все три параллельны друг с другу (см. рис. 18).

Угол между плоскостями.

Определение 1. Углом между пересекающимися плоскостями называется величина любого из двухгранных углов, который образуется при пересечении плоскостей.

Пусть  и  две плоскости, заданные своими общими уравнениями в прямоугольной системе координат:

: A1x + B1y + C1z + D1 = 0,

: A2x + B2y + C2z + D2 = 0,

A12 + B12+ C12  0, A22 + B22+ C22  0.

Рассмотрим нормальные векторы n1 = (A1,B1,C1), n2 = (A2,B2,C2) плоскостей  и . В силу теоремы об углах с соответственно перпендикулярными сторонами угол  между плоскостями  и  равен углу между нормальными векторами n1 и n2. По определению скалярного произведения векторов

n1n2 = n1 n2cos .

Отсюда находим формулу косинуса угла между плоскостями  и :

. (6)

Заметим, что плоскости  и  перпендикулярны тогда и только тогда, когда нормальные векторы n1 и n2 этих плоскостей ортогональны. По условию ортогональности векторов последнее равносильно тому, что скалярное произведение n1n2 = 0. Так как n1n2 = A1A2+B1B2+C1C2, то получаем теорему.

Теорема 2. Плоскостииперпендикулярны тогда и только тогда, когда

n1n2 = A1A2+B1B2+C1C2 = 0. (7)

4. Расстояние от точки до плоскости. Геометрический смысл неравенства Ax + By + Cz + D  0.

Определение 1. Расстоянием от точки M0 до плоскости называется длина перпендикуляра, опущенного из точки M0 на плоскость .

Вычислим расстояние от точки M0(x0,y0,z0) до плоскости , заданной в прямоугольной системе координат общим уравнением

: Ax + By + Cz + D = 0, A2 + B2+ C2  0.

Отпустим из точки M0(x0,y0,z0) перпендикуляр M0M1 на плоскость , M1 - основание перпендикуляра. Рассмотрим вектор

и нормальный вектор n = (A,B,C) плоскости. Так как векторы и n ортогональны одной и той же плоскости, то он коллинеарны. Вычислим их скалярное произведение двумя способами.

С одной стороны, так как угол  между векторами и n равен 0 или 1800, по определению скалярного произведения имеем n = n cos  =  n = dn, где d расстояние от точки M0 до плоскости .

С дугой стороны,

n = A(x0 - x1) + B(y0 - y1) +C(z0 - z1) =

= Ax0 + By0 +Cz0 + (-Ax1 - B y1 -C z1)

Так как точка M1  , то-Ax1 - B y1 -C z1 = D. Отсюда

dn == Ax0 + By0 +Cz0 + D.

Таким образом, находим формулу расстояния от точки до плоскости

. (1)

Геометрический смысл неравенства Ax + By + Cz + D  0.

В пространстве рассматривается произвольная аффинная система координат.

Теорема 2. Множество всех точек пространства, координаты которых удовлетворяют неравенству

Ax + By + Cz + D  0 (2)

A2 + B2+ C2  0, является полупространством, ограниченным плоскостью

: Ax + By + Cz + D = 0 (3)

в которой лежит конец вектора n = (A,B,C), отложенного от произвольной точки плоскости .

Доказательство. 1. Сначала покажем, что функция f(x,y,z) = Ax + By + Cz + D принимает значения одинаковых знаков, в точках каждой из полупространств, на которые плоскость  разбивает пространство.

Пусть M1(x1,y1,z1), M2(x2,y2,z2) любые две точки пространства, не принадлежащие плоскости , и которые не лежат на прямой параллельной плоскости . Тогда прямая M1M2 пересекает плоскость  в точке M(x,y,z), которая делит отрезок в некотором отношении . Координаты точки M вычисляются по формулам:

(4)

и удовлетворяют уравнению плоскости . Тогда справедливо равенство

Отсюда находим

.

Так как точка M2 , то . Тогда

.

Точки M1 и M2 лежат по одну сторону от плоскости  тогда и только тогда, когда точка M не принадлежит отрезку M1M2. Последнее верно тогда и только тогда, когда  < 0. Следовательно, точки M1 и M2 лежат по одну сторону от плоскости  тогда и только тогда, когда функция f(x,y,z) принимает в точках M1 и M2 значения одного знака (см. рис 21).

Точки M1 и M2 лежат по разные стороны от плоскости  тогда и только тогда, когда точка M принадлежит отрезку M1M2. Последнее верно тогда и только тогда, когда  > 0. Следовательно, точки M1 и M2 лежат по разные стороны от плоскости  тогда и только тогда, когда функция f(x,y,z) принимает в точках M1 и M2 значения разных знаков (см. рис 22).

Если точки M1(x1,y1,z1), M2(x2,y2,z2) лежат на прямой параллельной плоскости , то они также расположены по одну строну от плоскости . Для того, чтобы это доказать, необходимо взять еще одну точку M2(x3,y3,z3) в том же полупространстве, не лежащую на прямой M1M2. В силу доказанного функция f(x,y,z) принимает в точках M1 и M3, M2 и M2 значения одного знака. Тогда в точках M1 и M2 функция принимает значения одного знака.

Таким образом, функция f(x,y,z) принимает значения одного знака в каждом из полупространств, на которые плоскость  разбивает пространство, и в разных полупространствах эти знаки различны.

2. Отложим, от точки M1(x1,y1,z1) вектор n = (A,B,C) и получим такую точку M2(x2,y2,z2), что = n = (A,B,C) (см. рис 23). Отсюда x2 = x1 + A, y2 = y1 + B, z2 = z1 + C. Подставим координаты точки M2 в левую часть уравнения (2) и получим

f(x2,y2,z2) = Ax2 + By2 + Cz2 + D = A(x1 + A) + B(y1 + B) + C(z1 + C)+ D =

= Ax1 + By1 + Cz1+ D + A2 + B2 + C2.

. Так как точка M1(x1,y1,z1). то Ax1 + By1 + Cz1+ D = 0. Поэтому

f(x2,y2,z2) = A2 + B2 + C2 > 0.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]