空间解析几何-与向量代数教学内容.ppt
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1、空间解析几何-与向量代数面面面面面面空间直角坐标系共有空间直角坐标系共有八个卦限八个卦限空间的点空间的点有序数组有序数组特殊点的表示特殊点的表示:坐标轴上的点坐标轴上的点坐标面上的点坐标面上的点二、空间两点间的距离空间两点间距离公式空间两点间距离公式特殊地:若两点分别为特殊地:若两点分别为解解原结论成立原结论成立.解解设设P点坐标为点坐标为所求点为所求点为空间直角坐标系空间直角坐标系 空间两点间距离公式空间两点间距离公式(注意它与平面直角坐标系的(注意它与平面直角坐标系的区别区别)(轴、面、卦限)(轴、面、卦限)三、小结思考题思考题在空间直角坐标系中,指出下列各在空间直角坐标系中,指出下列各点
2、在哪个卦限?点在哪个卦限?思考题解答思考题解答A:;B:;C:;D:;1 1、下列各点所在象限分别是:、下列各点所在象限分别是:一、填空题一、填空题练习题练习题练习题答案练习题答案第二节 向量及其加减法向量及其加减法 向量与数的乘法向量与数的乘法一、向量的概念一、向量的概念二、向量的加减法二、向量的加减法三、向量与数的乘法三、向量与数的乘法四、小结四、小结向量:向量:既有大小又有方向的量既有大小又有方向的量.向量表示:向量表示:模长为模长为1 1的向量的向量.零向量:零向量:模长为模长为0 0的向量的向量.|向量的模:向量的模:向量的大小向量的大小.单位向量:单位向量:一、向量的概念或或或或或
3、或自由向量:自由向量:不考虑起点位置的向量不考虑起点位置的向量.相等向量:相等向量:大小相等且方向相同的向量大小相等且方向相同的向量.负向量:负向量:大小相等但方向相反的向量大小相等但方向相反的向量.向径:向径:空间直角坐标系中任一点空间直角坐标系中任一点 与原点与原点构成的向量构成的向量.1 加法:加法:(平行四边形法则)(平行四边形法则)特殊地:若特殊地:若 分为同向和反向分为同向和反向(平行四边形法则有时也称为三角形法则)(平行四边形法则有时也称为三角形法则)二、向量的加减法向量的加法符合下列运算规律:向量的加法符合下列运算规律:(1 1)交换律:)交换律:(2 2)结合律:)结合律:(
4、3)2 减减法法三、向量与数的乘法数与向量的乘积符合下列运算规律:数与向量的乘积符合下列运算规律:(1 1)结合律:)结合律:(2 2)分配律:)分配律:两个向量的平行关系两个向量的平行关系证证充分性显然;充分性显然;必要性必要性两式相减,得两式相减,得按照向量与数的乘积的规定,按照向量与数的乘积的规定,上式表明:一个非零向量除以它的模的结果是上式表明:一个非零向量除以它的模的结果是一个与原向量同方向的单位向量一个与原向量同方向的单位向量.例例1 1 化简化简解解例例2 2 试用向量方法证明:对角线互相平分的试用向量方法证明:对角线互相平分的四边形必是平行四边形四边形必是平行四边形.证证与与
5、平行且相等平行且相等,结论得证结论得证.向量的概念向量的概念向量的加减法向量的加减法向量与数的乘法向量与数的乘法(注意与标量的区别)(注意与标量的区别)(平行四边形法则)(平行四边形法则)(注意数乘后的方向)(注意数乘后的方向)四、小结思考题思考题已知平行四边形已知平行四边形ABCD的对角线的对角线试用试用 表示平行四边形四边上对应的向量表示平行四边形四边上对应的向量.思考题解答思考题解答练练 习习 题题练习题答案练习题答案第三节第三节 向量的坐标向量的坐标一、向量在轴上的投影与投影定理一、向量在轴上的投影与投影定理二、向量在坐标轴上的分向量与向量二、向量在坐标轴上的分向量与向量的坐标的坐标三
6、、向量的模与方向余弦的坐标表示式三、向量的模与方向余弦的坐标表示式四、小结四、小结 一、向量在轴上的投影与投影定理证证于是于是空间两向量的夹角的概念:空间两向量的夹角的概念:类似地,可定义类似地,可定义向量与一轴向量与一轴或或空间两轴空间两轴的夹角的夹角.特殊地,当两个向量中有一个零向量时,规定特殊地,当两个向量中有一个零向量时,规定它们的夹角可在它们的夹角可在0与与 之间任意取值之间任意取值.空间一点在轴上的投影空间一点在轴上的投影空间一向量在轴上的投影空间一向量在轴上的投影关于向量的关于向量的投影定理(投影定理(1 1)证证定理定理1 1的说明:的说明:投影为正;投影为正;投影为负;投影为
7、负;投影为零;投影为零;(4)相等向量在同一轴上投影相等;相等向量在同一轴上投影相等;关于向量的关于向量的投影定理(投影定理(2 2)(可推广到有限多个)(可推广到有限多个)二、向量在坐标轴上的分向量与向量的坐标的坐标由例由例1知知 向向量量在在 轴轴上上的的投投影影 向向量量在在 轴轴上上的的投投影影 向向量量在在 轴轴上上的的投投影影按基本单位向量的按基本单位向量的坐标分解式坐标分解式:在三个坐标轴上的在三个坐标轴上的分向量分向量:向量的向量的坐标坐标:向量的向量的坐标表达式坐标表达式:特殊地:特殊地:向量的加减法、向量与数的乘法运算的坐标表达式向量的加减法、向量与数的乘法运算的坐标表达式
8、解解设设为直线上的点,为直线上的点,由题意知:由题意知:非零向量非零向量 的的方向角方向角:非零向量与三条坐标轴的正向的夹角称为方向角非零向量与三条坐标轴的正向的夹角称为方向角.三、向量的模与方向余弦的坐标表示式由图分析可知由图分析可知向向量量的的方方向向余余弦弦方向余弦通常用来表示向量的方向方向余弦通常用来表示向量的方向.向量模长的坐标表示式向量模长的坐标表示式当当 时,时,向量方向余弦的坐标表示式向量方向余弦的坐标表示式方向余弦的特征方向余弦的特征特殊地:单位向量的方向余弦为特殊地:单位向量的方向余弦为解解所求向量有两个,一个与所求向量有两个,一个与 同向,一个反向同向,一个反向或或解解解
9、解向量在轴上的投影与投影定理向量在轴上的投影与投影定理.向量在坐标轴上的分向量与向量的坐标向量在坐标轴上的分向量与向量的坐标.向量的模与方向余弦的坐标表示式向量的模与方向余弦的坐标表示式.四、小结(注意分向量与向量的坐标的(注意分向量与向量的坐标的区别区别)思考题思考题思考题解答思考题解答对角线的长为对角线的长为练练 习习 题题练习题答案练习题答案第四节第四节 数量积数量积 向量积向量积 混合积混合积一、两向量的数量积一、两向量的数量积二、两向量的向量积二、两向量的向量积三、向量的混合积三、向量的混合积四、小结四、小结启示启示实例实例两向量作这样的运算两向量作这样的运算,结果是一个数量结果是一
10、个数量.定义定义一、两向量的数量积数量积也称为数量积也称为“点积点积”、“内积内积”.结论结论 两向量的数量积等于其中一个向量的两向量的数量积等于其中一个向量的模和另一个向量在这向量的方向上的投影的模和另一个向量在这向量的方向上的投影的乘积乘积.关于数量积的说明:关于数量积的说明:证证证证数量积符合下列运算规律:数量积符合下列运算规律:(1 1)交换律)交换律:(2 2)分配律)分配律:(3 3)若)若 为数为数:若若 、为数为数:设设数量积的坐标表达式数量积的坐标表达式两向量夹角余弦的坐标表示式两向量夹角余弦的坐标表示式由此可知两向量垂直的充要条件为由此可知两向量垂直的充要条件为解解证证实例
11、实例二、两向量的向量积定义定义关于向量积的说明:关于向量积的说明:/向量积也称为向量积也称为“叉积叉积”、“外积外积”.向量积符合下列运算规律:向量积符合下列运算规律:(1)(2)分配律:分配律:(3)若若 为数:为数:证证/设设向量积的坐标表达式向量积的坐标表达式向量积还可用三阶行列式表示向量积还可用三阶行列式表示/由上式可推出由上式可推出补充补充例如,例如,解解解解三角形三角形ABC的面积为的面积为解解定义定义设设混合积的坐标表达式混合积的坐标表达式三、向量的混合积(1)向量混合积的几何意义:)向量混合积的几何意义:关于混合积的说明:关于混合积的说明:解解例例6解解式中正负号的选择必须和行
12、列式的符号一致式中正负号的选择必须和行列式的符号一致.向量的数量积向量的数量积向量的向量积向量的向量积向量的混合积向量的混合积(结果是一个数量)(结果是一个数量)(结果是一个向量)(结果是一个向量)(结果是一个数量)(结果是一个数量)(注意共线、共面的条件)(注意共线、共面的条件)四、小结思考题思考题思考题解答思考题解答练练 习习 题题练习题答案练习题答案第五节第五节 曲面及其方程曲面及其方程一、曲面方程的概念一、曲面方程的概念二、旋转曲面二、旋转曲面三、柱面三、柱面四、小结四、小结水桶的表面、台灯的罩子面等水桶的表面、台灯的罩子面等曲面在空间解析几何中被看成是点的几何轨迹曲面在空间解析几何中
13、被看成是点的几何轨迹曲面方程的定义:曲面方程的定义:曲面的实例:曲面的实例:一、曲面方程的概念以下给出几例常见的曲面以下给出几例常见的曲面.解解根据题意有根据题意有所求方程为所求方程为特殊地:球心在原点时方程为特殊地:球心在原点时方程为解解根据题意有根据题意有所求方程为所求方程为根据题意有根据题意有化简得所求方程化简得所求方程解解例例4 4 方程方程 的图形是怎样的?的图形是怎样的?根据题意有根据题意有图形上不封顶,下封底图形上不封顶,下封底解解以上几例表明研究空间曲面有以上几例表明研究空间曲面有两个基本问题两个基本问题:(2 2)已知坐标间的关系式,研究曲面形状)已知坐标间的关系式,研究曲面
14、形状(讨论旋转曲面)(讨论旋转曲面)(讨论柱面、二次曲面)(讨论柱面、二次曲面)(1 1)已知曲面作为点的轨迹时,求曲面方程)已知曲面作为点的轨迹时,求曲面方程二、旋转曲面二、旋转曲面定义定义 以一条平面以一条平面曲线绕其平面上的曲线绕其平面上的一条直线旋转一周一条直线旋转一周所成的曲面称为旋所成的曲面称为旋转曲面转曲面.这条定直线叫旋转这条定直线叫旋转曲面的曲面的轴轴播放播放旋转过程中的特征:旋转过程中的特征:如图如图将将 代入代入将将 代入代入得方程得方程解解 圆锥面方程圆锥面方程例例6 6 将下列各曲线绕对应的轴旋转一周,求将下列各曲线绕对应的轴旋转一周,求生成的旋转曲面的方程生成的旋转
15、曲面的方程旋旋转转双双曲曲面面旋旋转转椭椭球球面面旋转抛物面旋转抛物面播放播放定义定义三、柱面三、柱面观察柱面的形观察柱面的形成过程成过程:平行于定直线并沿定曲线平行于定直线并沿定曲线 移动的直线移动的直线 所形成的曲面称为柱面所形成的曲面称为柱面.这条定曲线这条定曲线 叫叫柱面的柱面的准线准线,动直线动直线 叫柱叫柱面的面的母线母线.柱面举例柱面举例抛物柱面抛物柱面平面平面从柱面方程看柱面的从柱面方程看柱面的特征特征:(其他类推)(其他类推)实实 例例椭圆柱面椭圆柱面 /轴轴双曲柱面双曲柱面 /轴轴抛物柱面抛物柱面 /轴轴曲面方程的概念曲面方程的概念旋转曲面的概念及求法旋转曲面的概念及求法.
16、柱面的概念柱面的概念(母线、准线母线、准线).四、小结思考题思考题 指出下列方程在平面解析几何中和空指出下列方程在平面解析几何中和空间解析几何中分别表示什么图形?间解析几何中分别表示什么图形?思考题解答思考题解答平面解析几何中平面解析几何中空间解析几何中空间解析几何中斜率为斜率为1的直线的直线方程方程练练 习习 题题练习题答案练习题答案第六节第六节 空间曲线及其方程空间曲线及其方程一、空间曲线的一般方程一、空间曲线的一般方程二、空间曲线的参数方程二、空间曲线的参数方程三、空间曲线在坐标面上的投影三、空间曲线在坐标面上的投影四、小结四、小结空间曲线的一般方程空间曲线的一般方程 曲线上的点都满足曲
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