Как доказать что плоскость проходит через точку

Уравнение плоскости. Как составить уравнение плоскости?
Взаимное расположение плоскостей. Задачи

Пространственная геометрия не намного сложнее «плоской» геометрии, и наши полёты в пространстве начинаются с данной статьи. Для усвоения темы необходимо хорошо разобраться в векторах, кроме того, желательно быть знакомым с геометрией плоскости – будет много похожего, много аналогий, поэтому информация переварится значительно лучше. В серии моих уроков 2D-мир открывается статьёй Уравнение прямой на плоскости. Но сейчас Бэтмен сошёл с плоского экрана телевизора и стартует с космодрома Байконур.

Начнём с чертежей и обозначений. Схематически плоскость можно нарисовать в виде параллелограмма, что создаёт впечатление пространства:

Плоскость бесконечна, но у нас есть возможность изобразить лишь её кусочек. На практике помимо параллелограмма также прорисовывают овал или даже облачко. Мне по техническим причинам удобнее изображать плоскость именно так и именно в таком положении. Реальные плоскости, которые мы рассмотрим в практических примерах, могут располагаться как угодно – мысленно возьмите чертёж в руки и покрутите его в пространстве, придав плоскости любой наклон, любой угол.

Обозначения: плоскости принято обозначать маленькими греческими буквами , видимо, чтобы не путать их с прямой на плоскости или с прямой в пространстве. Я привык использовать букву . На чертеже именно буква «сигма», а вовсе не дырочка. Хотя, дырявая плоскость, это, безусловно, весьма забавно.

В ряде случаев для обозначения плоскостей удобно использовать те же греческие буквы с нижними подстрочными индексами, например, .

Очевидно, что плоскость однозначно определяется тремя различными точками, не лежащими на одной прямой. Поэтому достаточно популярны трёхбуквенные обозначения плоскостей – по принадлежащим им точкам, например, и т.д. Нередко буквы заключают в круглые скобки: , чтобы не перепутать плоскость с другой геометрической фигурой.

Для опытных читателей приведу меню быстрого доступа:

и мы не будем томиться долгими ожиданиями:

Общее уравнение плоскости

Общее уравнение плоскости имеет вид , где коэффициенты одновременно не равны нулю.

Ряд теоретических выкладок и практических задач справедливы как для привычного ортонормированного базиса, так и для аффинного базиса пространства (если масло — масляное, вернитесь к уроку Линейная (не) зависимость векторов. Базис векторов). Для простоты будем полагать, что все события происходят в ортонормированном базисе и декартовой прямоугольной системе координат.

А теперь немного потренируем пространственное воображение. Ничего страшного, если у вас оно плохое, сейчас немного разовьём. Даже для игры на нервах нужны тренировки.

В самом общем случае, когда числа не равны нулю, плоскость пересекает все три координатные оси. Например, так:

Ещё раз повторю, что плоскость бесконечно продолжается во все стороны, и у нас есть возможность изобразить только её часть.

Рассмотрим простейшие уравнения плоскостей:

Как понимать данное уравнение? Вдумайтесь: «зет» ВСЕГДА, при любых значениях «икс» и «игрек» равно нулю. Это уравнение «родной» координатной плоскости . Действительно, формально уравнение можно переписать так: , откуда хорошо видно, что нам по барабану, какие значения принимают «икс» и «игрек», важно, что «зет» равно нулю.

Аналогично:
– уравнение координатной плоскости ;
– уравнение координатной плоскости .

Немного усложним задачу, рассмотрим плоскость (здесь и далее в параграфе предполагаем, что числовые коэффициенты не равны нулю). Перепишем уравнение в виде: . Как его понимать? «Икс» ВСЕГДА, при любых значениях «игрек» и «зет» равно некоторому числу . Эта плоскость параллельна координатной плоскости . Например, плоскость параллельна плоскости и проходит через точку .

Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости .

Добавим членов: . Уравнение можно переписать так: , то есть «зет» может быть любым. Что это значит? «Икс» и «игрек» связаны соотношением , которое прочерчивает в плоскости некоторую прямую (узнаёте уравнение прямой на плоскости?). Поскольку «зет» может быть любым, то эта прямая «тиражируется» на любой высоте. Таким образом, уравнение определяет плоскость, параллельную координатной оси

Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси .

Если свободные члены нулевые, то плоскости будут непосредственно проходить через соответствующие оси. Например, классическая «прямая пропорциональность»: . Начертите в плоскости прямую и мысленно размножьте её вверх и вниз (так как «зет» любое). Вывод: плоскость, заданная уравнением , проходит через координатную ось .

Завершаем обзор: плоскость проходит через начало координат. Ну, здесь совершенно очевидно, что точка удовлетворяет данному уравнению.

И, наконец, случай, который изображён на чертеже: – плоскость дружит со всеми координатными осями, при этом она всегда «отсекает» треугольник, который может располагаться в любом из восьми октантов.

Как грамотно построить перечисленные виды плоскостей на клетчатой бумаге – смотрите в справочных материалах о пространственных поверхностях.

Линейные неравенства в пространстве

Для лучшего понимания информации желательно хорошо изучить линейные неравенства на плоскости, поскольку многие вещи буду похожи. Параграф будет носить краткий обзорный характер с несколькими примерами, так как материал на практике встречается довольно редко.

Если уравнение задаёт плоскость, то неравенства
задают полупространства. Если неравенство нестрогое (два последних в списке), то в решение неравенства кроме полупространства входит и сама плоскость.

Как и для линейных неравенств плоскости, справедлив аналогичный принцип: если одна точка полупространства удовлетворяет неравенству, то и ВСЕ точки данного полупространства удовлетворяют данному неравенству.

Читайте примеры и посматривайте на чертёж:

1) . Как понимать данное неравенство? «Икс» и «зет» могут быть любыми, а вот «игрек» всегда больше либо равно нулю. Данное неравенство определяет правое полупространство; так как оно нестрогое, то координатная плоскость входит в решение.

2) – «игрек» и «зет» могут быть любыми, а вот «икс» строго меньше нуля. Неравенство задаёт дальнее от нас полупространство, и ввиду его строгости, координатная плоскость не входит в решение.

3) Сначала мысленно начертим плоскость – данная плоскость параллельна «родной» координатной плоскости и расположена на высоте (на 2 единицы выше плоскости ). При любых «икс» и «игрек» – «зет» меньше либо равно двум. Поэтому неравенство определяет нижнее полупространство + саму плоскость .

4) Дана плоскость . Я специально подобрал плоскость, которая «высекает» треугольник в первом октанте (такой, как на чертеже). Требуется строгим неравенством задать полупространство, которое содержит начало координат.

Составим вспомогательный многочлен и вычислим его значение в начале координат: , таким образом, искомое неравенство: .

Проведённый обзор полезен не только в аналитической геометрии, но и для решения ряда задач математического анализа.

Как составить уравнение плоскости?

Конструировать уравнение плоскости будем с помощью векторов и точек. Их должно быть как можно меньше, но достаточно, чтобы однозначно определить плоскость. Одним словом, красивая математическая лаконичность. Математика – царица наук, не стерва, но строгА. А уж насколько доступна, во многом зависит от вашего к ней отношения =)

Казалось бы, плоскость можно определить с помощью двух неколлинеарных векторов. Но векторы свободны и бродят по всему пространству, поэтому ещё нужна фиксированная точка.

Как составить уравнение плоскости по точке и двум неколлинеарным векторам?

Рассмотрим точку и два неколлинеарных вектора . Уравнение плоскости, которая проходит через точку параллельно векторам , выражается формулой:

! Примечание: под выражением «вектор параллелен плоскости» подразумевается, что вектор можно отложить и в самой плоскости. Для наглядности я буду откладывать векторы прямо в плоскости.

Принципиально ситуация выглядит так:

Обратите внимание, что точка и два коллинеарных вектора не определят плоскость однозначно (векторы будут свободно «вертеться» вокруг точки и зададут бесконечно много плоскостей).

Составить уравнение плоскости по точке и векторам .

Решение: Составим уравнение плоскости по точке и двум неколлинеарным векторам:

Определитель удобнее всего раскрыть по первому столбцу:

Раскрываем определители второго порядка:

На первом месте у нас находится знак «минус». Хорошим тоном считается убрать наглеца, в этих целях меняем знак у каждого слагаемого. Проводим дальнейшие упрощения и получаем уравнение плоскости:

Сократить здесь ничего нельзя, поэтому:

Ответ:

…числа, конечно, страшноваты получились для первого примера =) …но переделывать, пожалуй, не буду, на практике большие числа – вещь распространённая.

Как проверить задание? Для проверки пока не хватает информации, но я обязательно выполню её чуть позже.

Составить уравнение плоскости по точке и двум неколлинеарным векторам .

Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ в конце урока.

Иногда может потребоваться решить обратную задачу – по известному уравнению плоскости найти параллельные ей векторы. Кстати, сколько параллельных векторов существует у плоскости? Бесконечно много. Однако нельзя объять необъятное, поэтому «вытащим» из уравнения плоскости три таких вектора:

Пусть плоскость задана общим уравнением . Тогда векторы будут параллельны данной плоскости (а, значит, компланарны), и любые два из них – линейно независимы. Так, в Примере № 1 мы составили уравнение плоскости . Построенной плоскости будут параллельны следующие векторы: . Если честно, не припомню, чтобы приходилось этим пользоваться, тем не менее, справка не лишняя.

Итак, «конструкция» из двух неколлинеарных векторов и точки однозначно определяет плоскость. Но существует более очевидный способ, о котором упоминалось выше, и он громким стуком в дверь уже давно просится на урок. Три точки. Дёшево и сердито.

Как составить уравнение плоскости по трём точкам?

Любые ли три точки пространства задают плоскость? Нет. Во-первых, точки должны быть различными. А во-вторых, они не должны лежать на одной прямой (сразу все три).

Уравнение плоскости, проходящей через три различные точки , которые не лежат на одной прямой, можно составить по формуле:

На самом деле это разновидность предыдущего способа, смотрим на картинку:

Если известны три различные точки, не лежащие на одной прямой, то легко найти два неколлинеарных вектора, параллельных данной плоскости:

То есть, наша формула фактически совпадает с формулой предыдущего параграфа. Многие уже заметили явную аналогию с материалами статьи Уравнение прямой на плоскости. Закономерности будут сохраняться и дальше!

Чтобы не умереть от скуки, предлагаю раскрутить примеры-шарады:

Составить уравнение плоскости по точкам .

Решение: составим уравнение плоскости по трём точкам. Используем формулу:

Вот теперь и аналитически видно, что всё дело свелось к координатам двух векторов. Раскрываем определитель по первому столбцу, находим уравнение плоскости:

Больше ничего упростить нельзя, записываем:

Ответ:

Проверка напрашивается сама собой – в полученное уравнение плоскости нужно подставить координаты каждой точки. Если хотя бы одна из трёх точек «не подойдёт», ищите ошибку.

Для «мёртвого» зачёта всегда выполняйте проверку мысленно или на черновике.

Составить уравнение плоскости, проходящей через точки и начало координат.

Это пример для самостоятельного решения. Ещё раз присмотримся к формуле . В каждом столбце определителя встречаются координаты точки , и это можно с выгодой использовать. В предложенной задаче даны три точки: , начало координат. В качестве точки можно выбрать любую из трёх точек. Подумайте, как рациональнее оформить решение! Да, и постарайтесь, не пропускать это задание, в самом конце решения увидите важный технический нюанс 😉

Вектор нормали плоскости (нормальный вектор)

Вектор нормали плоскости – это вектор, который перпендикулярен данной плоскости. Очевидно, что у любой плоскости бесконечно много нормальных векторов. Но для решения задач нам будет хватать и одного.

Если плоскость задана общим уравнением , то вектор является вектором нормали данной плоскости. Просто до безобразия. Всё, что нужно сделать – это «снять» коэффициенты из уравнения плоскости.

Обещанного три экрана ждут, вернёмся к Примеру № 1 и выполним его проверку. Напоминаю, что там требовалось построить уравнение плоскости по точке и двум векторам . В результате решения мы получили уравнение . Проверяем:

Во-первых, подставим координаты точки в полученное уравнение:

Получено верное равенство, значит, точка действительно лежит в данной плоскости.

Во-вторых, из уравнения плоскости снимаем вектор нормали: . Поскольку векторы параллельны плоскости, а вектор перпендикулярен плоскости, то должны иметь место следующие факты: . Перпендикулярность векторов легко проверить с помощью скалярного произведения:

Вывод: уравнение плоскости найдено правильно.

В ходе проверки я фактически процитировал следующее утверждение теории: вектор параллелен плоскости в том и только том случае, когда .

Решим важную задачу, которая имеет отношение и к уроку Скалярное произведение векторов:

Найти единичный нормальный вектор плоскости .

Решение: Единичный вектор – это вектор, длина которого равна единице. Обозначим данный вектор через . Совершенно понятно, что векторы коллинеарны:

Сначала из уравнения плоскости снимем вектор нормали: .

Как найти единичный вектор? Для того чтобы найти единичный вектор , нужно каждую координату вектора разделить на длину вектора .

Перепишем вектор нормали в виде и найдём его длину:

Ответ:

Проверка: , что и требовалось проверить.

Читатели, которые внимательно изучили последний параграф урока Скалярное произведение векторов, наверное, заметили, что координаты единичного вектора – это в точности направляющие косинусы вектора :

Отвлечёмся от разобранной задачи: когда вам дан произвольный ненулевой вектор, и по условию требуется найти его направляющие косинусы (см. последние задачи урока Скалярное произведение векторов), то вы, по сути, находите и единичный вектор, коллинеарный данному. Фактически два задания в одном флаконе.

Необходимость найти единичный вектор нормали возникает в некоторых задачах математического анализа.

С выуживанием нормального вектора разобрались, теперь ответим на противоположный вопрос:

Как составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали?

Эту жёсткую конструкцию вектора нормали и точки хорошо знает мишень для игры в дартс. Пожалуйста, вытяните руку вперёд и мысленно выберите произвольную точку пространства, например, маленькую кошечку в серванте. Очевидно, что через данную точку можно провести единственную плоскость, перпендикулярную вашей руке.

Уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору , выражается формулой:

Выглядит значительно привлекательнее, чем предыдущие мытарства. В некоторых задачах аналитической геометрии уравнение плоскости можно составить несколькими способами, и решение через точку и нормальный вектор – самое оптимальное.

Составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали .

Решение: Используем формулу:

Ответ:

Проверка выполняется очень легко:

1) Из полученного уравнения снимаем вектор нормали: – всё хорошо, полученный вектор совпал с вектором из условия (в ряде случаев может получиться коллинеарный вектор).

2) Подставим координаты точки в уравнение плоскости:

Верное равенство, значит, точка принадлежит данной плоскости.

Вывод: уравнение плоскости найдено правильно.

Пример настолько прозрачен, что хочется немного завуалировать условие:

Найти уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно оси .

Это пример для самостоятельного решения. Просто, но со вкусом.

Перейдём к более содержательным примерам. Типовая задача:

Как построить плоскость, параллельную данной?

Построить плоскость, проходящую через точку параллельно плоскости .

Решение: Обозначим известную плоскость через . По условию требуется найти плоскость , которая параллельна плоскости и проходит через точку .

Выполним схематический чертёж, который поможет быстрее разобраться в условии и понять алгоритм решения:

У параллельных плоскостей один и тот же вектор нормали. Добавить нечего =) Осталось оформить мат в два хода:

1) Из уравнения найдём вектор нормали плоскости: .

2) Уравнение плоскости составим по точке и вектору нормали :

Ответ:

Как выполнить проверку, я уже рассказал.

Продолжаем раскидывать стог сена пространственной геометрии:

Как найти расстояние от точки до плоскости?

Расстояние от точки до плоскости – это длина перпендикуляра, опущенного из точки к данной плоскости:

Формула очень похожа на формулу «плоской» геометрии расстояния от точки до прямой (см. Пример № 8 урока Простейшие задачи с прямой на плоскости).

Расстояние от точки до плоскости выражается формулой

При желании или надобности можно найти и точку , но для этого нужно разобраться с уравнениями прямой в пространстве и посетить урок Основные задачи на прямую и плоскость.

Найти расстояние от точки до плоскости

Решение: анализировать тут нечего, главное, не допустить ошибку в вычислениях:

Ответ:

Такое даже для самостоятельного решения неловко предлагать.

Заключительный раздел урока будет посвящен взаимному расположению плоскостей. Мы уже немного поговорили о параллельных плоскостях, и сейчас продолжим тему:

Взаимное расположение плоскостей

Для практики наиболее важна информация о взаимном расположении двух плоскостей, но и о трёх плоскостях также будет краткая справка.

Рассмотрим две плоскости пространства, заданные общими уравнениями:

2) быть параллельными: ;

3) пересекаться по некоторой прямой «эль»: .

Всё очень и очень похоже на взаимное расположение прямых на плоскости (урок Простейшие задачи с прямой на плоскости).

Совпадающие плоскости

Две плоскости совпадают, тогда и только тогда, когда их соответствующие коэффициенты пропорциональны, то есть, существует такое число «лямбда», что выполняются равенства

Рассмотрим плоскости и составим систему:

Из каждого уравнения системы следует, что . Таким образом, система совместна и плоскости совпадают.

Параллельные плоскости

Две плоскости параллельны тогда и только тогда, когда их коэффициенты при переменных пропорциональны: , но .

На практике очень часто первые три коэффициента банально совпадают (). Посмотрим, например, на уравнения параллельных плоскостей из Примера № 8:

Комментарии, думаю, излишни, всё прекрасно видно. Но на всякий случай выполню формальную проверку, вдруг кому потребуется. Составим систему:

Из первых трёх уравнений следует, что , а из четвёртого уравнения следует, что , значит, система несовместна. Но коэффициенты при переменных пропорциональны, следовательно, плоскости параллельны.

Задача о нахождении параллельной плоскости уже была, поэтому решим что-нибудь новое:

Как найти расстояние между плоскостями?

Расстояние между двумя параллельными плоскостями выражается формулой:

Координаты точек нам неизвестны, да их и не нужно знать, поскольку перпендикуляр между плоскостями можно протянуть в любом месте.

Найдём расстояние между параллельными плоскостями Примера № 8:

Найти расстояние между параллельными плоскостями .

Решение: Используем формулу:

Ответ:

У многих наверняка возник вопрос: вот у этих плоскостей – первые три коэффициенты одинаковы, но это же не всегда так! Да, не всегда.

Найти расстояние между параллельными плоскостями

Проверим пропорциональность коэффициентов: , но , значит, плоскости действительно параллельны. Первые три коэффициента пропорциональны, но не совпадают. Однако формула-то предусмотрена для совпадающих коэффициентов!

Есть два пути решения:

1) Найдём какую-нибудь точку, принадлежащую любой из плоскостей. Например, рассмотрим плоскость . Чтобы найти точку, проще всего обнулить две координаты. Обнулим «икс» и «зет», тогда: .

Таким образом, точка принадлежит данной плоскости. Теперь можно использовать формулу расстояния от точки до плоскости , рассмотренную в предыдущем разделе.

2) Второй способ связан с небольшим трюком, который нужно применить, чтобы таки использовать формулу ! Это пример для самостоятельного решения.

Пересекающиеся плоскости

Третий, самый распространённый случай, когда две плоскости пересекаются по некоторой прямой :

Две плоскости пересекаются тогда и только тогда, когда их коэффициенты при переменных НЕ пропорциональны, то есть НЕ существует такого значения «лямбда», чтобы выполнялись равенства

Сразу отмечу важный факт: Если плоскости пересекаются, то система линейных уравнений задаёт прямую в пространстве. Но о ней позже.

В качестве примера рассмотрим плоскости . Составим систему для соответствующих коэффициентов:

Из первых двух уравнений следует, что , но из третьего уравнения следует, что , значит, система несовместна, и плоскости пересекаются.

Проверку можно выполнить «по пижонски» одной строкой:

Параллельные плоскости мы уже разобрали, теперь поговорим о перпендикулярных плоскостях. Очевидно, что к любой плоскости можно провести бесконечно много перпендикулярных плоскостей, а для того, чтобы зафиксировать конкретную перпендикулярную плоскость, нужно задать две точки:

Дана плоскость . Построить плоскость , перпендикулярную данной и проходящую через точки .

Решение: Начинаем анализировать условие. Что мы знаем о плоскости ? Известны две точки. Можно найти вектор , параллельный данной плоскости. Но этого мало, нужен ещё один. Так как плоскости должны быть перпендикулярны, то вторым вектором следует взять нормальный вектор плоскости .

Проводить подобные рассуждения здОрово помогает схематический чертёж:

Для лучшего понимания задачи отложите вектор нормали от точки в плоскости .

Кстати, теперь чётко видно, почему одна точка не определит перпендикулярную плоскость – вокруг единственной точки будет «вращаться» бесконечно много перпендикулярных плоскостей. Так же нас не устроит и единственный вектор (без всяких точек). Вектор является свободным и «наштампует» нам бесконечно много перпендикулярных плоскостей (которые, к слову, будут параллельны между собой). В этой связи минимальную жёсткую конструкцию обеспечивают две точки.

Задача разобрана, решаем:

1) Найдём вектор .

2) Из уравнения снимем вектор нормали: .

3) Уравнение плоскости составим по точке (можно было взять и ) и двум неколлинеарным векторам :

Ответ:

Проверка состоит из двух этапов:

1) Проверяем, действительно ли плоскости будут перпендикулярны. Если две плоскости перпендикулярны, то их векторы нормали будут ортогональны. Логично. Из полученного уравнения снимаем вектор нормали и рассчитываем скалярное произведение векторов:

2) В уравнение плоскости подставляем координаты точек . Обе точки должны «подойти».

И первый, и второй пункт можно выполнить устно.

Перейдём к заключительной задаче урока:

Как найти угол между плоскостями?

Две пересекающиеся плоскости образуют четыре двухгранных угла и любой из этих углов называют углом между плоскостями.

Обозначим угол между плоскостями через :

Наклон плоскости однозначно определяется её вектором нормали, поэтому угол между плоскостями можно найти через угол между нормальными векторами данных плоскостей. А угол между векторами рассчитывается с помощью обыденной формулы, рассмотренной на уроке Скалярное произведение векторов:

Распишем формулу в коэффициентах:

Обратите внимание, что формула может дать и тупой угол, например, 150 градусов. Такой ответ не будет страшной ошибкой, но за угол между плоскостями, как правило, принимают острый угол, поэтому концовку задания лучше дополнить расчётом «традиционного» угла: 180 – 150 =30 градусов.

Найти угол между плоскостями

Это пример для самостоятельного решения. Решение и ответ в конце урока.

Что-то не хочется мне вас сегодня отпускать… наверное, хорошо себя вели и активно работали на уроке =) Придётся рассказать что-нибудь ещё.

Взаимное расположение трёх плоскостей

Три плоскости могут располагаться в пространстве 8 способами, если интересуют все случаи, пожалуйста, посмотрите в книге Атанасяна-Базылева или в Интернете, видел вроде в Википедии, точно уже не помню.

Самый известный случай взаимного расположения трёх плоскостей – плоскости пересекаются в одной точке. Живой пример находится совсем недалеко от вас. Посмотрите вверх – в угол комнаты, где пересекаются две стены и потолок. Пессимисты могут посмотреть вниз.

Аналитически данному случаю соответствует система линейных уравнений , которая имеет единственное решение.

Ничего не напоминает? Вот, оказывается, где прячется метод Крамера… – в углу вашей комнаты!

На следующем уроке мы изучим Прямые в пространстве.

Спасибо за работу, домашнего задания не будет!

Решения и ответы:

Пример 2: Решение: составим уравнение плоскости по точке и двум неколлинеарным векторам:

Ответ:

Пример 4: Решение: составим уравнение плоскости по трём точкам :

Ответ:

Пример 7: Решение: Так как плоскость перпендикулярна оси , то вектор является вектором нормали для данной плоскости. Уравнение плоскости составим по точке и вектору нормали :

Ответ:

Пример 11: Решение: Разделим все коэффициенты второго уравнения на два:

Используем формулу

Ответ:

Пример 13: Решение: Обозначим . Используем формулу:

За угол между плоскостями примем острый угол:
Ответ:

Автор: Емелин Александр

(Переход на главную страницу)

Contented.ru – онлайн школа дизайна

SkillFactory – получи востребованную IT профессию!

Общее уравнение плоскости : описание, примеры, решение задач

В статье рассмотрим такой тип уравнений плоскости как общее уравнение, получим его вид и разберем на практических примерах. Рассмотрим частные случаи и понятие общего неполного уравнения плоскости.

Общее уравнение плоскости: основные сведения

Перед началом разбора темы вспомним, что такое уравнение плоскости в прямоугольной системе координат в трёхмерном пространстве. Пусть нам дана прямоугольная система координат O x y z в трехмерном пространстве, уравнением плоскости в заданной системе координат будет такое уравнение с тремя неизвестными x , y , и z , которому отвечали бы координаты всех точек этой плоскости и не отвечали бы координаты никаких прочих точек. Иначе говоря, подставив в уравнение плоскости координаты некоторой точки этой плоскости, получаем тождество. Если же в уравнение подставить координаты какой-то другой точки, не принадлежащей заданной плоскости, равенство станет неверным.

Также вспомним определение прямой, перпендикулярной к плоскости: прямая является перпендикулярной к заданной плоскости, если она перпендикулярна любой прямой, принадлежащей этой плоскости.

Любую плоскость, заданную в прямоугольной системе координат O x y z трехмерного пространства, можно определить уравнением A x + B y + C z + D = 0 . В свою очередь, любое уравнение A x + B y + C z + D = 0 определяет некоторую плоскость в данной прямоугольной системе координат трехмерного пространства. A , B , C , D – некоторые действительные числа, и числа A , B , C не равны одновременно нулю.

Теорема состоит из двух частей. Разберем доказательство каждой из них.

1. Первая часть теоремы гласит, что любую заданную плоскость возможно описать уравнением вида A x + B y + C z + D = 0 . Допустим, задана некоторая плоскость и точка M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) , через которую эта плоскость проходит. Нормальным вектором этой плоскости является n → = ( A , B , C ) . Приведем доказательство, что указанную плоскость в прямоугольной системе координат O x y z задает уравнение A x + B y + C z + D = 0 .

Возьмем произвольную точку заданной плоскости M ( x , y , z ) .В таком случае векторы n → = ( A , B , C ) и M 0 M → = ( x — x 0 , y — y 0 , z — z 0 ) будут перпендикулярны друг другу, а значит их скалярное произведение равно нулю:

n → , M 0 M → = A x — x 0 + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) = A x + B y + C z — ( A x 0 + B y 0 + C z 0 )

Примем D = — ( A x 0 + B y 0 + C z 0 ) , тогда уравнение преобразуется в следующий вид: A x + B y + C z + D = 0 . Оно и будет задавать исходную плоскость. Первая часть теоремы доказана.

1. Во второй части теоремы утверждается, что любое уравнение вида A x + B y + C z + D = 0 задает некоторую плоскость в прямоугольной системе координат O x y z трехмерного пространства. Докажем это.

В теореме также указано, что действительные числа А , B , C одновременно не являются равными нулю. Тогда существует некоторая точка M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) , координаты которой отвечают уравнению A x + B y + C z + D = 0 , т.е. верным будет равенство A x 0 + B y 0 + C z 0 + D = 0 . Отнимем левую и правую части этого равенства от левой и правой частей уравнения A x + B y + C z + D = 0 . Получим уравнение вида

A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) + D = 0 , и оно эквивалентно уравнению A x + B y + C z + D = 0 . Докажем, что уравнение A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) + D = 0 задает некоторую плоскость.

Уравнение A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) + D = 0 являет собой условие, необходимое и достаточное для перпендикулярности векторов n → = ( A , B , C ) и M 0 M → = x — x 0 , y — y 0 , z — z 0 . Опираясь на утверждение, указанное перед теоремой, возможно утверждать, что при справедливом равенстве A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) + D = 0 множество точек M ( x , y , z ) задает плоскость, у которой нормальный вектор n → = ( A , B , C ) . При этом плоскость проходит через точку M ( x 0 , y 0 , z 0 ) . Иначе говоря, уравнение A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) + D = 0 задает в прямоугольной системе координат O x y z трехмерного пространства некоторую плоскость. Таким, образом, эквивалентное этому уравнению уравнение A x + B y + C z + D = 0 также определяет эту плоскость. Теорема доказана полностью.

Уравнение вида A x + B y + C z + D = 0 называют общим уравнением плоскости в прямоугольной системе координат O x y z трехмерного пространства.

Допустим, задано некоторое общее уравнение плоскости λ · A x + λ · B y + λ · C z + λ · D = 0 , где λ – некое действительное число, не равное нулю. Это уравнение также задает в прямоугольной системе координат некоторую плоскость, совпадающую с плоскостью, определяемую уравнением A x + B y + C z + D = 0 , поскольку описывает то же самое множество точек трехмерного пространства. Например, уравнения x — 2 · y + 3 · z — 7 = 0 и — 2 · x + 4 · y — 2 3 · z + 14 = 0 задают одну и ту же плоскость, поскольку им обоим отвечают координаты одних и тех же точек трехмерного пространства.

Раскроем чуть шире смысл теорем.

В пределах заданной системы координат плоскость и общее уравнение, ее определяющее, неразрывно связаны: каждой плоскости отвечает общее уравнение плоскости вида A x + B y + C z + D = 0 ( при конкретных значениях чисел A , B , C , D ). В свою очередь, этому уравнению отвечает заданная плоскость в заданной прямоугольной системе координат.

Укажем пример как иллюстрацию этих утверждений.

Ниже приведен чертеж, на котором изображена плоскость в фиксированной прямоугольной системе координат трехмерного пространства. Заданной плоскости отвечает общее уравнение вида 4 x + 5 y – 5 z + 20 = 0 , и ему соответствуют координаты любой точки этой плоскости. В свою очередь, уравнение 4 x + 5 y – 5 z + 20 = 0 описывает в заданной системе координат множество точек, которые составляют изображенную плоскость.

Общее уравнение плоскости, проходящей через точку

Повторимся: точка M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) лежит на плоскости, заданной в прямоугольной системе координат трехмерного пространства уравнением A x + B y + C z + D = 0 в том случае, когда подставив координаты точки M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) в уравнение A x + B y + C z + D = 0 , мы получим тождество.

Заданы точки M 0 ( 1 , — 1 , — 3 ) и N 0 ( 0 , 2 , — 8 ) и плоскость, определяемая уравнением 2 x + 3 y — z — 2 = 0 . Необходимо проверить, принадлежат ли заданные точки заданной плоскости.

Решение

Подставим координаты точки М 0 в исходной уравнение плоскости:

2 · 1 + 3 · ( — 1 ) — ( — 3 ) — 2 = 0 ⇔ 0 = 0

Мы видим, что получено верное равенство, значит точка M 0 ( 1 , — 1 , — 3 ) принадлежит заданной плоскости.

Аналогично проверим точку N 0 . Подставим ее координаты в исходное уравнение:

2 · 0 + 3 · 2 — ( — 8 ) — 2 = 0 ⇔ 12 = 0

Равенство неверно. Таким, образом, точка N 0 ( 0 , 2 , — 8 ) не принадлежит заданной плоскости.

Ответ: точка М 0 принадлежит заданной плоскости; точка N 0 – не принадлежит.

Приведенное выше доказательство теоремы об общем уравнении дает нам возможность использовать важный факт: вектор n → = ( A , B , C ) — нормальный вектор для плоскости, определяемой уравнением A x + B y + C z + D = 0 . Так, если нам известен вид общего уравнения, то возможно записать координаты нормального вектора заданной плоскости.

В прямоугольной системе координат задана плоскость 2 x + 3 y — z + 5 = 0 . Необходимо записать координаты всех нормальных векторов заданной плоскости.

Решение

Мы знаем, что заданные общим уравнением коэффициенты при переменных x , y , z служат координатами нормального вектора заданной плоскости. Тогда, нормальный вектор n → исходной плоскости имеет координаты 2 , 3 , — 1 . В свою очередь, множество нормальных векторов запишем так:

λ · n → = λ · 2 , λ · 3 , — λ , λ ∈ R , λ ≠ 0

Ответ: λ · 2 , λ · 3 , — λ , λ ∈ R , λ ≠ 0

Разберем обратную задачу, когда требуется составить уравнение плоскости по заданным координатам нормального вектора.

Очевидным фактом является то, что нормальный вектор n → = ( A , B , C ) является нормальным вектором бесконечного множества параллельных плоскостей. Поэтому для обозначения конкретной плоскости введем дополнительное условие: зададим некоторую точку M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) , принадлежащую плоскости. Так, задавая в условии нормальный вектор и некоторую точку плоскости, мы ее зафиксировали.

Общее уравнение плоскости с нормальным вектором n → = ( A , B , C ) будет выглядеть так: A x + B y + C z + D = 0 . По условию задачи точка M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) принадлежит заданной плоскости, т.е. ее координаты отвечают уравнению плоскости, а значит верно равенство: A x 0 + B y 0 + C z 0 + D = 0

Вычитая соответственно правые и левые части исходного уравнения и уравнения A x 0 + B y 0 + C z 0 + D = 0 , получим уравнение вида A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) = 0 . Оно и будет уравнением плоскости, проходящей через точку M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) и имеющей нормальный вектор n → = ( A , B , C ) .

Возможно получить это уравнение другим способом.

Очевидным фактом является то, что все точки М ( x , y , z ) трехмерного пространства задают данную плоскость тогда и только тогда, когда векторы n → = ( A , B , C ) и M 0 M → = ( x — x 0 , y — y 0 , z — z 0 ) перпендикулярны или, иначе говоря, когда скалярное произведение этих векторов равно нулю:

n → , M 0 M → = A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) = 0

Задана точка М 0 ( — 1 , 2 , — 3 ) , через которую в прямоугольной системе координат проходит плоскость, а также задан нормальный вектор этой плоскости n → = ( 3 , 7 , — 5 ) . Необходимо записать уравнение заданной плоскости.

Решение

Рассмотрим два способа решения.

1. Исходные условия позволяют получить следующие данные:

x 0 = — 1 , y 0 = 2 , z 0 = — 3 , A = 3 , B = 7 , C = — 5

Подставим их в общее уравнение плоскости, проходящей через точку, т.е. в A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) = 0

3 ( x — ( — 1 ) ) + 7 ( y — 2 ) — 5 ( z — ( — 3 ) ) = 0 ⇔ 3 x + 7 y — 5 z — 26 = 0

1. Допустим, М ( x , y , z ) – некоторая точки заданной плоскости. Определим координаты вектора M 0 M → по координатам точек начала и конца:

M 0 M → = ( x — x 0 , y — y 0 , z — z 0 ) = ( x + 1 , y — 2 , z + 3 )

Чтобы получить искомое общее уравнение плоскости, необходимо также воспользоваться необходимым и достаточным условием перпендикулярности векторов и тогда:

n → , M 0 M → = 0 ⇔ 3 ( x + 1 ) + 7 ( y — 2 ) — 5 ( z + 3 ) = 0 ⇔ ⇔ 3 x + 7 y — 5 z — 26 = 0

Ответ: 3 x + 7 y — 5 z — 26 = 0

Неполное общее уравнение плоскости

Выше мы говорили о том, что, когда все числа А , B , C , D отличны от нуля, общее уравнение плоскости A x + B y + C z + D = 0 называют полным. В ином случае общее уравнение плоскости является неполным.

Разберем все возможные варианты общих неполных уравнений в прямоугольной системе координат трехмерного пространства.

1. В случае, когда D = 0 , мы получаем общее неполное уравнение плоскости: A x + B y + C z + D = 0 ⇔ A x + B y + C z = 0

Такая плоскость в прямоугольной системе координат проходит через начало координат. В самом деле, если подставим в полученное неполное уравнение плоскости координаты точки О ( 0 , 0 , 0 ) , то придем к тождеству:

A · 0 + B · 0 + C · 0 = 0 ⇔ 0 ≡ 0

1. Если А = 0 , В ≠ 0 , С ≠ 0 , или А ≠ 0 , В = 0 , С ≠ 0 , или А ≠ 0 , В ≠ 0 , С = 0 , то общие уравнения плоскостей имеют вид соответственно: B y + C z + D = 0 , или A x + C z + D = 0 , или A x + B y + D = 0 . Такие плоскости параллельны координатным осям О x , O y , O z соответственно. Когда D = 0 , плоскости проходят через эти координатные оси соответственно. Также заметим, что неполные общие уравнения плоскостей B y + C z + D = 0 , A x + C z + D = 0 и A x + B y + D = 0 задают плоскости, которые перпендикулярны плоскостям O y z , O x z , O z y соответственно.

1. При А = 0 , В = 0 , С ≠ 0 , или А = 0 , В ≠ 0 , С = 0 , или А ≠ 0 , В = 0 , С = 0 получим общие неполные уравнения плоскостей: C z + D = 0 ⇔ z + D C = 0 ⇔ z = — D C ⇔ z = λ , λ ∈ R или B y + D = 0 ⇔ y + D B = 0 ⇔ y = — D B ⇔ y = λ , λ ∈ R или A x + D = 0 ⇔ x + D A = 0 ⇔ x = — D A ⇔ x = λ , λ ∈ R соответственно.

Эти уравнения определяют плоскости, которые параллельны координатным плоскостям O x y , O x z , O y z соответственно и проходят через точки 0 , 0 , — D C , 0 , — D B , 0 и — D A , 0 , 0 соответственно. При D = 0 уравнения самих координатных плоскостей O x y , O x z , O y z выглядят так: z = 0 , y = 0 , x = 0

Задана плоскость, параллельная координатной плоскости O y z и проходящая через точку М 0 ( 7 , — 2 , 3 ) . Необходимо составить общее уравнение заданной плоскости.

Р​​ешение

У​​​​​словием задачи определено, что заданная плоскость параллельна координатной плоскости O y z , а, следовательно, может быть задана общим неполным уравнением плоскости A x + D = 0 , A ≠ 0 ⇔ x + D A = 0 . Поскольку точка M 0 ( 7 , — 2 , 3 ) лежит на плоскости по условию задачи, то очевидно, что координаты этой точки должны отвечать уравнению плоскости x + D A = 0 , иначе говоря, должно быть верным равенство 7 + D A = 0 . Преобразуем: D A = — 7 , тогда требуемое уравнение имеет вид: x — 7 = 0 .

Задачу возможно решить еще одним способом.

Вновь обратим внимание на заданную условием задачи параллельность данной плоскости координатной плоскости O y z . Из этого условия понятно, что возможно в качестве нормального вектора заданной плоскости использовать нормальный вектор плоскости O y z : i → = ( 1 , 0 , 0 ) . Так, нам известны и точка, принадлежащая плоскости (задана условием задачи) и ее нормальный вектор. Таким образом, становится возможно записать общее уравнение заданной плоскости:

A ( x — x 0 ) + B ( y — y 0 ) + C ( z — z 0 ) = 0 ⇔ ⇔ 1 · ( x — 7 ) + 0 · ( y + 2 ) + 0 · ( z — 3 ) = 0 ⇔ ⇔ x — 7 = 0

Ответ: x — 7 = 0

Задана плоскость, перпендикулярная плоскости O x y и проходящая через начало координат и точку М 0 ( — 3 , 1 , 2 ) .

Решение

Плоскость, которая перпендикулярна координатной плоскости O x y определяется общим неполным уравнением плоскости A x + B y + D = 0 ( А ≠ 0 , В ≠ 0 ) . Условием задачи дано, что плоскость проходит через начало координат, тогда D = 0 и уравнение плоскости принимает вид A x + B y = 0 ⇔ x + B A y = 0 .

Найдем значение B A . В исходных данных фигурирует точка М 0 ( — 3 , 1 , 2 ) , координаты которой должны отвечать уравнению плоскости. Подставим координаты, получим верное равенство: — 3 + B A · 1 = 0 , откуда определяем B A = 3 .

Так, мы имеем все данные, чтобы записать требуемое общее уравнение плоскости: x + 3 y = 0 .

Как доказать что плоскость проходит через точку

§ 4. Следствия из аксиом. Способы задания плоскости

Рассматриваемые здесь простейшие следствия из аксиом будут играть в дальнейшем важную роль. Они почти очевидны, но доказываются; их доказательства приведены с целью показать на примерах строгую логическую обоснованность каждого шага рассуждения со ссылками на соответствующие аксиомы и ранее доказанные теоремы.

Теорема 1. Через любую прямую и не принадлежащую ей точку можно провести плоскость, и притом только одну.

Доказательство .  Пусть даны прямая a  и не принадлежащая ей точка A .

Выберем на прямой a  любые точки B и  C (рис. 22). Через точки B и  C проходит только одна прямая — прямая a . Так как точка A по условию теоремы не принадлежит прямой a , то точки A , B и  C не принадлежат одной прямой.

По аксиоме R 2 через точки A , B и  C проходит только одна плоскость — плоскость ABC , которую обозначим  α . Прямая  a имеет с ней две общие точки — точки B и  C , следовательно, по аксиоме R 4 эта прямая лежит в плоскости α . Таким образом, плоскость α  проходит через прямую a  и точку A и является искомой.

Докажем, что другой плоскости, проходящей через прямую a  и точку A ∉ a , не существует.

Предположим, что есть другая плоскость —  α 1 , проходящая через точку A и прямую a . Тогда плоскости α  и α 1 проходят через точки A , B и  C , не принадлежащие одной прямой, а значит, совпадают. Следовательно, плоскость α  единственная. Теорема доказана. ▼

Определение. Две прямые в пространстве называются пересекающимися, если они имеют ровно одну общую точку.

Теорема 2. Через любые две пересекающиеся прямые можно провести плоскость, и притом только одну.

Доказательств о.  Пусть данные прямые a  и b  пересекаются в точке C (рис. 23). Выберем на прямых a  и b  любые точки A и  B , отличные от C : A ∈ a , B ∈ b . Тогда три точки A , B и  C не принадлежат одной прямой (почему?), и по аксиоме R 2 через них можно провести только одну плоскость. Обозначим её α .

Точки A и  C прямой a  принадлежат плоскости α , значит, плоскость α  проходит через прямую a  (аксиома R 4 ). Плоскость α  проходит и через прямую b , так как точки B и  C этой прямой принадлежат плоскости α .

Таким образом, плоскость α  проходит через прямые a  и b , следовательно, является искомой.

Докажем единственность плоскости α . Допустим, что есть другая, отличная от плоскости α  и проходящая через прямые a  и b , плоскость β .

Так как плоскость β проходит через прямую a и не принадлежащую ей точку B , то по теореме 1 она совпадает с плоскостью α . Единственность плоскости α  доказана. ▼

Определение. Две прямые в пространстве называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются.

Если прямые a  и b  параллельны, то пишут a ‖ b .

Теорема 3. Через две параллельные прямые можно провести единственную плоскость.

Доказательств о.  Пусть a  и b  — данные параллельные прямые. Из определения параллельных прямых следует, что через прямые a  и b  можно провести плоскость. Обозначим её α  (рис. 24) и убедимся, что она единственна.

Допустим противное. Пусть существует другая плоскость, отличная от α , которая содержит каждую из прямых a  и b . Обозначим эту плоскость β .

Выберем на прямой a  точки B и  C , на прямой b  — точку A . В силу параллельности прямых a  и b точки A , B и C не принадлежат одной прямой.

Каждая из плоскостей α  и β содержит обе прямые a  и b , значит, каждая из них проходит через точки A , B и C . Но по аксиоме R 2 через эти точки можно провести лишь одну плоскость. Следовательно, плоскости α  и β  совпадают. Теорема доказана. ▼

Из аксиомы R 2 и теорем 1, 2 и 3 следует, что плоскость в пространстве можно задать:

 тремя точками, не принадлежащими одной прямой;

 прямой и не принадлежащей ей точкой;

 двумя пересекающимися прямыми;

 двумя параллельными прямыми.

В дальнейшем вы узнаете, что задать плоскость в пространстве можно и другими определяющими её элементами.

Применяя аксиомы стереометрии и первые следствия из них, вы сможете решать стереометрические задачи , т. е. задачи, в которых исследуются некоторые свойства геометрических фигур, расположенных в пространстве. К стереометрическим относятся, например, задачи на построение сечений многогранников плоскостями.

Сечением многогранника плоскостью является многоугольник, представляющий собой множество всех точек пространства, принадлежащих одновременно данным многограннику и плоскости, плоскость при этом называется секущей плоскостью .

Как уже говорилось при обсуждении аксиомы R 5 , плоскость не может пересечь грань многогранника по ломаной, а имеет с ней либо общий отрезок, либо общую точку (вершину многогранника), либо не имеет с ней общих точек. Число сторон многоугольника-сечения не может превышать числа граней многогранника. Причём если пересечением плоскости и многогранника является точка (вершина многогранника) или отрезок (ребро многогранника), то эту плоскость не будем называть секущей .

В качестве примера построения сечения многогранника плоскостью решим следующую задачу.

ЗАДаЧа.  Дана четырёхугольная пирамида PABCD с вершиной P . Построить сечение этой пирамиды плоскостью α  = ( MHK ), где M ∈ PC , H ∈ PB , K ∈ PD (рис. 25).

Решение . Так как две плоскости пересекаются по прямой, а прямая и плоскость — в точке, то сечением многогранника (в данном случае — пирамиды) плоскостью является плоский многоугольник. Вершинами этого многоугольника служат точки пересечения секущей плоскости с рёбрами многогранника (или с прямыми, содержащими его рёбра). Это означает, что для построения искомого сечения пирамиды плоскостью α  достаточно построить точки её пересечения с прямыми, содержащими рёбра пирамиды, после чего последовательно их соединить отрезками прямых.

Точки M , K и  H , через которые проходит секущая плоскость, принадлежат рёбрам пирамиды, значит, эти точки — вершины искомого сечения. Отрезок, который соединяет две вершины, принадлежащие одной грани пирамиды, является стороной искомого сечения. Поэтому, проведя отрезки MK и  MH , получаем две стороны искомого сечения, лежащие в гранях соответственно CPD и  BPC .

Для построения оставшихся вершин, а следовательно, и сторон многоугольника-сечения построим точки пересечения плоскости α  с прямыми, содержащими другие рёбра пирамиды. Из рисунка 25 видно, что для построения этих вершин удобно использовать прямые, содержащие рёбра BC и  CD .

Найдём точку пересечения плоскости MHK с прямой BC .

Обратите внимание! Точка пересечения прямой BC с плоскостью сечения есть точка пересечения этой прямой с прямой, лежащей в плоскости сечения и в плоскости грани BCP . Этой прямой является прямая  MH .

Пусть X  — точка пересечения прямых BC и  MH . Тогда точка X  — точка пересечения плоскости MHK с прямой BC .

Аналогично, точка Y пересечения прямых CD и  MK является точкой пересечения прямой CD и секущей плоскости MHK , так как прямая MK лежит в секущей плоскости.

Таким образом, точки X и  Y принадлежат как плоскости основания ABCD , так и секущей плоскости MHK . Значит, XY  — прямая пересечения этих плоскостей. Она пересекает рёбра AB и  AD соответственно в точках L и  R , которые служат также вершинами искомого сечения. Тогда пятиугольник MHLRK  — искомое сечение пирамиды PABCD .

Итак, «цепочка шагов построения» вершин искомого сечения такова: 1) X = BC ∩ MH ; 2) Y = CD ∩ MK ; 3) L = XY ∩ AB ; 4)   R  =  XY ∩ AD . Последовательно соединив эти точки отрезками, получаем пятиугольник MHLRK  — искомое сечение пирамиды PABCD .

Плоскость в пространстве. Различные виды уравнения плоскости.

Каждая плоскость в пространстве Oxyz определяется линейным алгебраическим уравнением первой степени с тремя неизвестными. И наоборот: каждое линейное уравнение первого порядка с тремя неизвестными определяет некоторую плоскость в пространстве.

1. Уравнение плоскости, проходящей через точку Мо(х_о; у _о;z_о) перпендикулярно вектору n= (А; В; С):

Уравнение (2.1) называют также уравнением пучка (связки) плоскостей. Уравнение пучка плоскостей, проходящих через прямую, образованную пересечением плоскостей А₁х + В₁у + C₁z + D₁ = 0 и А₂х + В₂у + + C₂z + D₂ — 0 имеет вид

2. Общее уравнение плоскости:

Ах + By + Cz + D = О (А 2 + В 2 + С 2 ≠ 0). (2.3)

Всякий ненулевой вектор, перпендикулярный данной плоскости, называется нормальным вектором этой плоскости. В частности, вектор n=(А; В; С) — нормальный вектор плоскости, заданной уравнением (2.3) Частные случаи уравнения (2.3):

Ах + By + Cz = 0 (D = 0) — плоскость проходит через начало координат;

Ах + By + D = 0 (С = 0) — плоскость параллельна оси Oz (аналогичный смысл имеют уравнения Ах + Cz + B = 0, By + Cz + D = 0);

Ах + D = 0(B = C = 0) — плоскость параллельна плоскости Oyz (Cz + D = 0, By + D = 0 — параллельно плоскости Оху и Oxz соответственно) ;

Ах = 0, т. е. х = 0 (В = С = D = 0) — плоскость совпадает с плоскостью Oyz (у = 0, г = 0 — уравнения плоскостей Oxz и Оху соответственно) .

3. Уравнение плоскости в отрезках:

где а, b, с — абсцисса, оридината и аппликата точек пересечения плоскостью координатных осей Ох, Оу и Oz соответственно.

Уравнение (2.5) в векторной форме имеет вид

5. Нормальное уравнение плоскости:

где р — длина перпендикуляра ОK, опущенного из начала координат на плоскость; α, β, γ — углы, образованные единичным вектором e, имеющего направление перпендикуляра ОК (рис. 51), с осями Ох, Оу и Oz (cos 2 α + cos 2 β + cos 2 λ=1).

Уравнение (2.7) в векторной форме имеет вид

Общее уравнение плоскости (2.3) приводится к нормальному виду (2.7) путем умножения на нормирующий множитель

знак перед дробью берется противоположным знаку свободного члена D (в общем уравнении плоскости).

Пример 1: Построить плоскости, заданные уравнениями:

2) х + г — 1 = 0; 3) Зх + by + 6z — 12 = 0.

Решение:

1) Плоскость 2y — 5 = 0 параллельна плоскости Oxz (см. (2.3), частные случаи); она отсекает на оси Оу отрезок, равный ^ и имеет вид, изображенный на рисунке 52.

2) Плоскость х + z — 1 = 0 параллельна оси Оу (см (2.3)); она пересекает плоскость Oxz по прямой х + z = 1, отсекая на осях Ох и Oz отрезки, равные 1 (рис. 53).

3) Общее уравнение плоскости Зх + 4у + 6z — 12 = 0 перепишем в виде (2.4): Зх + 4у + 6z = 12, т.е. x4 + y3 + z2= 1. Эта плоскость отсекает на осях Ох, Оу, Oz отрезки, равные 4, 3, 2 соответственно (рис. 54).

Пример 2: Уравнение плоскости 2х — 6y + 3z —14 = 0 привести к нормальному виду.

Пример 3: Написать уравнение плоскости:

1) параллельной оси Oz и проходящей через точки М₁ (3; —1; 2) иМ₂(-1;2;5);

2) проходящей через точку М₁ перпендикулярно вектору М₁М₂—

1) Уравнение плоскости, параллельной оси Oz, имеет вид Ах + By + D = 0 (см (2.3), частные случаи). Так как плоскость проходит через точки М₁ и М₂, то координаты этих точек удовлетворяют уравнению плоскости. Подставим их в уравнение Ах + By + D = 0. Получаем два уравнения

с тремя неизвестными А, B, D. Выразим неизвестные коэффициенты А и В через D: умножив первое уравнение на 2 и сложив почленно уравнения, находим 5А + 3D = 0, т. е. А = -35 B; тогда В = 3 (-35 D)+ D т.е. В = (-45 D) Подставляя найденные значения А и В в уравнение Ах + By + D = 0, получаем -35 Dx+ (-45 D)y +D = 0. После сокращения на (-15 D) уравнение искомой плоскости приобретает вид Зх + 4y — 5 = 0.

2) Используем уравнение (2.3) плоскости. Вектор М₁М₂ имеет координаты М₁М₂ = (—1 — 3; 2 — (—1); 5 — 2) или М₁М₂ = (—4;3;3). Так как искомая плоскость перпендикулярна вектору М₁М₂, он является ее нормалью и, следовательно, значения параметров А, B, и С в (2.3) равны —4, 3 и 3 соответственно. Уравнение плоскости, таким образом, имеет вид

—4х + Зу + 3z + D = 0.

Точка M₁(3; —1; 2) по условию задачи лежит в плоскости. Следовательно, подстановкой координат точки М\ в уравнение плоскости получим тождество:

-4·3 + 3·(-1)+ 3·2 + D = 0.

Отсюда находим, что D = 9. Уравнение искомой плоскости:

—4х + Зу + 3z + 9 = 0

Пример 4: Составить уравнение плоскости, проходящей через точку Мо(2;3; —4) и параллельной векторам а = (—3; 2; —1) и Ь = = (0;3;1).

Решение:

Воспользуемся уравнением (2.1) плоскости. Имеем А(х — 2) + В (у — 3) + C(z + 4) = 0.

Пример 5: Написать уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки M₁(l;0;-1), М₂(2;2;3), М₃(0;-3;1).

Три точки, не лежащие на одной прямой, определяют в пространстве единственную плоскость. Ее уравнение будем искать в виде (2.3). Так как точки M₁, M₂ и Мз лежат в одной плоскости, векторы М₁М₂ и M₁M₃ также лежат в ней (см. рис. 55)

Векторное произведение векторов М₁М₂ и M₁M₃ перпендикулярно плоскости а, в которой они лежат. Следовательно, в качестве нормали n к плоскости а можно взять вектор

Таким образом, параметры А, В и С плоскости, заданной уравнением (2.3) равны 16, —6 и —1 соответственно. Уравнение искомой плоскости, следовательно, имеет вид

16х — 6у — z + D = 0.

Точка M₁(l;0;— 1) по условию лежит в плоскости. Следовательно, подстановка координат точки М₁ в уравнение плоскости обратит его в тождество. Имеем:

Откуда находим, что D = —17. Уравнение плоскости, проходящей через заданные точки М₁, М₂ и Мз, имеет вид 16х—6у—z — 17 = 0.

Замечание. Приведенное решение задачи по сути является обоснованием формулы (2.5).