最新大学数学第一章3-6节PPT课件.ppt
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1、2. 平面的点法式方程平面的点法式方程设平面 过定点 M0(x0, y0, z0), 且有法向量n=(A,B, C).对于平面上任一点M(x, y, z), 向量M0M与n垂直. yxzM0MnOn M0 M = 0而M0 M =(x x0, y y0, z z0),得:A(x x0) +B( y y0) +C( z z0) = 0称方程(1) 为平面的点法式方程.(1)2. 平面方程的几种特殊情形平面方程的几种特殊情形(1) 过原点的平面方程过原点的平面方程由于O (0, 0, 0)满足方程, 所以D = 0. 于是, 过原点的平面方程为:A x + B y + C z = 0Ax +By
2、+Cz +D = 0(2) 平行于坐标轴的方程平行于坐标轴的方程考虑平行于x轴的平面Ax + By + Cz + D = 0, 它的法向量n =(A, B, C)与x 轴上的单位向量 i =(1, 0, 0)垂直, 所以n i = A 1 + B 0 + C 0 = A = 0于是于是:平行于平行于x 轴轴的平面方程是 By + Cz + D = 0;平行于平行于y 轴轴的平面方程是 Ax + Cz + D = 0; 平行于平行于z 轴轴的平面方程是 Ax + By + D = 0.特别特别: D = 0时时, 平面过坐标轴平面过坐标轴.(3) 平行于坐标面的平面方程平行于坐标面的平面方程平行
3、于平行于xOy 面面的平面方程是 Cz + D = 0;平行于平行于xOz 面面的平面方程是 By + D = 0; 平行于平行于yOz 面面的平面方程是 Ax + D = 0.例例4: 求通过x 轴和点(4, 3, 1)的平面方程.解解: 由于平面过x 轴, 所以 A = D = 0.设所求平面的方程是 By + Cz = 0又点(4, 3, 1)在平面上, 所以3B C = 0 C = 3B所求平面方程为 By 3Bz = 0即即: y 3z = 0 1n1n22若已知两平面方程是:1: A1x + B1y + C1z + D1 = 0法向量 n1 = (A1, B1, C1)2: A2x
4、 + B2y + C2z + D2 = 0法向量 n2 = (A2, B2, C2)1.定义定义1两平面的法向量的夹角两平面的法向量的夹角(通常指锐角通常指锐角)称为称为两平面的夹角两平面的夹角.二、两平面的夹角二、两平面的夹角,),(),(),( 21212121两者中的锐角和应是的夹角与平面nnnnnn),cos(21nn|2121nnnn222222212121212121|CBACBACCBBAAcos所以1n1n22平面1与2 相互平行212121CCBBAA规定规定: 若比例式中某个分母为0, 则相应的分子也为0.平面1与2 相互垂直 A1A2 + B1B2 + C1C2 = 02
5、.例例5: 一平面通过两点M1(1, 1, 1)和M2(0, 1, 1), 且垂直于平面 x+y+z = 0, 求它的方程.解解: 设所求平面的一个法向量 n = ( A, B, C )已知平面 x+ y+ z = 0的法向量 n1=( 1, 1, 1) 所以: n M1M2 且n n1 而 M1M2 = ( 1, 0, 2)于是:A ( 1) + B 0 + C (2) = 0 A 1 + B 1 + C 1 = 0 设 P0(x0, y0, z0)是平面 Ax+By+Cz+D = 0外一点, 求 P0到这平面的距离d.在平面上任取一点P1(x1, y1, z1)P0P1Nn则 P1P0 =
6、(x0 x1, y0 y1, z0 z1)过P0点作一法向量 n =(A, B, C)于是:01jPrPPdn|01nnPP222101010)()()(CBAzzCyyBxxA三、点到平面的距离三、点到平面的距离又 A(x0 x1) + B(y0 y1) + C(z0 z1) = Ax0 + By0 + Cz0 + D (Ax1 + By1 + C z1 + D) = Ax0 + By0 + Cz0 + D所以, 得点P0到平面Ax + By + Cz + D = 0的距离:222000CBADCzByAxd(5)例例6 6: 求点 A (1, 2, 1) 到平面: x + 2y + 2z
7、10 = 0的距离13322110122211222d解得: B=CA= 2C取C = 1, 得平面的一个法向量n = (2, 1, 1)所以, 所求平面方程是2 (x 1) + 1 (y 1) + 1 (z 1) = 0即: 2x y z = 0M1(1, 1, 1) , M2(0, 1, 1)已知平面1: A1x + B1y + C1z + D1 = 02: A2x + B2y + C2z + D2 = 0那末, 交线L上的任何点的坐标满足:A1x + B1y + C1z + D1 = 0A2x + B2y + C2z + D2 = 0不在交线L上的点不满足方程组(1)(1)称方程组(1)
8、空间直线的一般方程.xyzO12L4 空间直线及其方程空间直线及其方程空间直线可看成是两个不平行平面 与 的交线12而而s 的坐标的坐标 m, n, p 称为直线称为直线L的一组的一组方向数方向数.sL1.定义定义1与空间直线与空间直线L平行的向量平行的向量 s = (m, n, p), 称为该直线的称为该直线的方向向量方向向量.2. 直线的对称式方程直线的对称式方程已知直线已知直线L过过M0(x0, y0, z0)点点方向向量方向向量 s =(m, n, p)在在L上任取一点上任取一点M(x, y, z), 有有M0 M/s.而而M0 M=(x x0, y y0, z z0)所以得比例式所以
9、得比例式pzznyymxx000(2)称为空间直线的称为空间直线的对称式方程或点向式方程对称式方程或点向式方程.sM0LMtpzznyymxx000 令得得:x = x0 + m ty = y0 + n tz = z0 + p t称为空间直线的称为空间直线的参数方程参数方程.(3)例例1: 写出直线写出直线x + y + z +1 = 02x y + 3z + 4 = 0的对称式方程的对称式方程.解解: (1) 先找出直线上的一点先找出直线上的一点 M0(x0, y0, z0)令令 z0 = 0, 代入方程组代入方程组, 得得x + y +1 = 02x y + 4 = 0解得解得: 32 ,
10、3500yx)0,32,35(0M所以所以, 点点 在直线上在直线上.(2) 再找直线的再找直线的方向向量方向向量 s .由于平面由于平面 1: x + y + z +1 = 0的法线向量的法线向量 n1=(1, 1, 1)平面平面 2: 2x y+3z+4 = 0的法线向量的法线向量 n2=(2, 1, 3)所以所以, 可取可取312111kji= 4i j 3k于是于是, 得直线的对称式方程得直线的对称式方程:3132435zyx21nns例例2: 求通过点 A(2, 3, 4)与 B(4, 1, 3)的直线方程.所以, 直线的对称式方程为142322zyx解解: 直线的方向向量可取 AB
11、 = (2, 2, 1)s1s2已知直线已知直线L1, L2的方程的方程, :1111111pzznyymxxLs1 =(m1, n1, p1), :2222222pzznyymxxLs2 =(m2, n2, p2)定义定义2两直线的方向向量间两直线的方向向量间的夹角称为两直线的的夹角称为两直线的夹角夹角, 常指常指锐角锐角.1. L1与与 L2的夹角的夹角 的余弦为的余弦为:cos| ),cos(|21ss2222222121212121212121|pnmpnmppnnmmssss2. L1垂直于垂直于 L2 m1 m2 + n1 n2 + p1 p2 = 03. L1平行于平行于 L2
12、.212121ppnnmm.1222:13411:21的夹角和求直线zyxLzyxL解解: 直线直线L1, L2的方向向量的方向向量 s1=(1, 4, 1 ) s2=(2, 2, 1)有有:|2121ssss22)1()2(21)4(1| )1(1)2()4(21 |2222224 所以所以:cos| ),cos(|21ss例例3:当直线与平面垂直时当直线与平面垂直时, 规定夹角规定夹角.2已知已知: 直线的方向向量直线的方向向量 s =( m, n, p )平面的法向量平面的法向量 n =( A, B, C )那末那末, 2)(ns,LLns称为称为L与平面与平面 的夹角的夹角.定义定义3
13、直线直线L与它在平面与它在平面 )20(上投影直线上投影直线L 的夹角的夹角 ,),cos(sn= sin 得(1) L与与 的夹角的夹角 的正弦为的正弦为: sin | ),cos(|sn222222|pnmCBACpBnAmPCnBmA :即即即: Am + Bn + Cp = 0|snsn(2) L与与 垂直垂直 s / n(3) L与与 平行平行 s 与与 n垂直垂直例例4. 判定下列各组直线与平面的关系判定下列各组直线与平面的关系. 3224:37423:)1(zyxzyxL和解解: L的方向向量的方向向量 s =( 2, 7, 3) 的法向量的法向量 n =(4, 2, 2)s n
14、 = ( 2) 4 + ( 7) ( 2) + 3 ( 2) = 0又又M0( 3, 4, 0)在直线在直线 L上上, 但不满足平面方程但不满足平面方程,所以所以L与与 平行平行, 但不重合但不重合.81446:723:)2(zyxzyxL和解解: L的方向向量的方向向量 s =( 3, 2, 7 ) 的法向量的法向量 n =( 6, 4, 14 ) L 与与 垂直垂直. 3:431232:)3(zyxzyxL和解解: L的方向向量的方向向量 s =( 3, 1, 4 ) 的法向量的法向量 n =( 1, 1, 1 )s n = 3 1 + 1 1 + ( 4) 1 = 0又又L上的点上的点
15、M0(2, 2, 3)满足平面方程满足平面方程,所以所以 , L 与与 重重合合.1. 点到直线的距离例例5. 求点p0(1, 2, 1)到直线 141322:zyxl的距离d .p0slp1分析:分析:过 p0 作 l 的垂线,垂足为 p1, 则 d=| p0 p1|关键:关键:求出 p1 的坐标方法:方法:过点p0作平面与l垂直,设l与平面的交点为p1,则线段 p0 p1 与 l 垂直。 p1即为垂足。slp1解解: (1) 直线 l 的方向向量 s = (2, 1, 1)过 p0(1, 2, 1), 以s为法向量作平面: 2(x1) + (y2) + (z1) = 0即: 2x + y
16、+ z 5 = 0(2) 求 l 与 的交点将直线 l 方程写出参数方程形式:x = 2 + 2ty = 3 + tz = 4 + t, 代入平面的方程:2(2 + 2t) + (3 + t) + (4 + t) 5 = 0即 6t + 6 =0, t = 1, 交点 p1(0, 2, 3)520) 1(|22210ppdp0(1, 2, 1)141322:zyxl2. 平面束方程平面束方程设直线 l :1 : A1x+B1y+C1z+D1 = 0 (1)2 : A2x+B2y+C2z+D2 = 0 (2)其中 A1, B1, C1与 A2, B2, C2不成比例,即1/2建立三元一次方程:
17、: (A1x+B1y+C1z+D1 )+(A2x+B2y+C2z+D2 )=0 (3).)( 为任意实数 l : 1 : A1x+B1y+C1z+D1 = 0 (1) 2 : A2x+B2y+C2z+D2 = 0 (2).)( 为任意实数 : (A1x+B1y+C1z+D1 ) + (A2x+B2y+C2z+D2 )=0 (3)考查直线考查直线 l 与平面与平面 的关系:的关系:(1) 直线 l 上的任何点p(x, y, z)满足方程(1)、(2),也满足方程(3)。故:方程故:方程(3)表示通过直线表示通过直线 l 的平面,且对于不同的的平面,且对于不同的 值,方程值,方程(3)表示通过直线
18、表示通过直线 l 的不同平面。的不同平面。(2) 通过直线通过直线 l 的任何平面的任何平面(除除 2以外以外)都包含在方程都包含在方程(3)的一族平面内。的一族平面内。这是因为:对于直线 l 外任意一点p0(x0, y0, z0)若不在 2 : A2x+B2y+C2z+D2 = 0 上令:202020210101010DzCyBxADzCyBxA l : 1 : A1x+B1y+C1z+D1 = 0 (1) 2 : A2x+B2y+C2z+D2 = 0 (2)p0(x0, y0, z0)过直线 l 与点 p0 的平面为:0)()( 2222202020210101011111DzCyBxAD
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