空间解析几何与向量代数.pptx
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1、2023/2/171横轴纵轴竖轴定点空间直角坐标系 三个坐标轴的正方向符合右手系.一、空间点的直角坐标即以右手握住z轴,当右手的四个手指 从正向轴以角 度转向正向y轴时,大拇指的指向 就是z轴的正向第一节第一节 空间直角坐标系空间直角坐标系第1页/共213页2023/2/172面面面空间直角坐标系共有八个卦限第2页/共213页2023/2/173空间的点有序数组特殊点的表示:坐标轴上的点坐标面上的点第3页/共213页2023/2/174二、空间两点间的距离第4页/共213页2023/2/175空间两点间距离公式特殊地:若两点分别为第5页/共213页2023/2/176解解原结论成立.第6页/共
2、213页2023/2/177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、向量的概念或或或第二节第二节 向量代数向量代数自由向量:自由向量:不考虑起点位置的向量不考虑起点位置的向量.第7页/共213页2023/2/178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
3、点构成的向量构成的向量.确定一个向量的两个要素确定一个向量的两个要素:方向和大小方向和大小(模模).).第8页/共213页2023/2/1791 加法:(平行四边形法则)特殊地:若 分为同向和反向(平行四边形法则有时也称为三角形法则)二、向量的加减法第9页/共213页2023/2/1710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:(3)2 减法第10页/共213页2023/2/1711三、向量与数的乘法(数乘)第11页/共213页2023/2/1712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)
4、结合律:)结合律:(2 2)分配律:)分配律:两个向量的平行关系第12页/共213页2023/2/1713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一个与原向量同方向的单位向量.第13页/共213页2023/2/1714例例1 1 化简解解第14页/共213页2023/2/1715例例2 2 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.证证与 平行且相等,结论得证.第15页/共213页2023/2/1716四、向量的投影(投影定理)第16页/共213页2023/2/1717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,可定义向量与一轴向量与一轴或空
5、间两轴空间两轴的夹角.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0与 之间任意取值.第17页/共213页2023/2/1718空间一点在轴上的投影第18页/共213页2023/2/1719空间一向量在轴上的投影第19页/共213页2023/2/1720关于向量的关于向量的投影定理投影定理第20页/共213页2023/2/1721定理的说明:定理的说明:投影为正;投影为负;投影为零;(4)相等向量在同一轴上投影相等;第21页/共213页2023/2/1722五、向量的坐标五、向量的坐标第22页/共213页2023/2/1723第23页/共213页2023/2/1724 向量在 轴上的
6、投影 向量在 轴上的投影 向量在 轴上的投影第24页/共213页2023/2/1725按基本单位向量的坐标分解式坐标分解式:在三个坐标轴上的分向量分向量:向量的坐标坐标:向量的坐标表达式坐标表达式:特殊地:(向径)第25页/共213页2023/2/1726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第26页/共213页2023/2/1727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.六、向量的模与方向余弦的坐标表示式第27页/共213页2023/2/1728由图分析可知向向
7、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第28页/共213页2023/2/1729当 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第29页/共213页2023/2/1730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第30页/共213页2023/2/1731解解所求向量有两个,一个与 同向,一个反向或第31页/共213页2023/2/1732解解第32页/共213页2023/2/1733第33页/共213页2023/2/1734解解第34页/共213页2023/2/1735启示启示实例实例
8、两向量作这样的运算,结果是一个数量.定义定义一、两向量的数量积第三节第三节 数量积数量积 向量积向量积第35页/共213页2023/2/1736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.第36页/共213页2023/2/1737关于数量积的说明:关于数量积的说明:证证证证第37页/共213页2023/2/1738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:
9、若若 、为数为数:第38页/共213页2023/2/1739设数量积的坐标表达式数量积的坐标表达式第39页/共213页2023/2/1740两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第40页/共213页2023/2/1741解解第41页/共213页2023/2/1742证证第42页/共213页2023/2/1743实例实例二、两向量的向量积第43页/共213页2023/2/1744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“叉积叉积”、“外积外积”.第44页/共213页2023/2/1745向量积符合下列运算规律:向量积符合下列运算规律:
10、(1)(2)分配律:分配律:(3)若若 为数:为数:证证/第45页/共213页2023/2/1746设向量积的坐标表达式向量积的坐标表达式第46页/共213页2023/2/1747向量积还可用三阶行列式表示/由上式可推出第47页/共213页2023/2/1748补充补充例如,第48页/共213页2023/2/1749解解第49页/共213页2023/2/1750解解三角形ABC的面积为第50页/共213页2023/2/1751解解第51页/共213页2023/2/1752定义定义设混合积的坐标表达式混合积的坐标表达式三、向量的混合积第52页/共213页2023/2/1753(1)向量混合积的几
11、何意义:关于混合积的说明:关于混合积的说明:第53页/共213页2023/2/1754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方程的定义:曲面方程的定义:曲面的实例:一、曲面方程的概念第四节第四节 曲面及其方程(一)曲面及其方程(一)第54页/共213页2023/2/1755以下给出几例常见的曲面.解解根据题意有所求方程为特殊地:球心在原点时方程为第55页/共213页2023/2/1756解解根据题意有所求方程为第56页/共213页2023/2/1757根据题意有化简得所求方程解解第57页/共213页2023/2/1758例例4 4 方程 的图形是怎样的?根据题意
12、有图形上不封顶,下封底解解第58页/共213页2023/2/1759以上几例表明研究空间曲面有两个基本问题:(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,研究曲面形状(讨论旋转曲面)(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,求曲面方程第59页/共213页2023/2/1760二、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.这条定直线叫旋转曲面的轴播放播放第60页/共213页2023/2/1761旋转过程中的特征:
13、如图将 代入第61页/共213页2023/2/1762将 代入得方程第62页/共213页2023/2/1763解解 圆锥面方程第63页/共213页2023/2/1764例例6 6 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旋转双曲面第64页/共213页2023/2/1765旋转椭球面旋转抛物面第65页/共213页2023/2/1766播放播放定义定义三、柱面三、柱面观察柱面的形成过程: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 叫柱面的准线,动直线 叫柱面的母线.第66页/共213页2023/2/1767
14、柱面举例抛物柱面平面第67页/共213页2023/2/1768从柱面方程看柱面的特征:(其他类推)实 例椭圆柱面 /轴双曲柱面 /轴抛物柱面 /轴第68页/共213页2023/2/1793空间曲线的一般方程空间曲线的一般方程 曲线上的点都满足方程,满足方程的点都在曲线上,不在曲线上的点不能同时满足两个方程.空间曲线C可看作空间两曲面的交线.特点特点:一、空间曲线的一般方程第四节第四节 空间曲线及其方程(二)空间曲线及其方程(二)第93页/共213页2023/2/1794例例1 1 方程组 表示怎样的曲线?解解表示圆柱面,表示平面,交线为椭圆.第94页/共213页2023/2/1795例例2 2
15、 方程组 表示怎样的曲线?解解上半球面,圆柱面,交线如图.第95页/共213页2023/2/1796空间曲线的参数方程空间曲线的参数方程二、空间曲线的参数方程第96页/共213页2023/2/1797 动点从A点出发,经过t时间,运动到M点 螺旋线的参数方程取时间t为参数,解解第97页/共213页2023/2/1798螺旋线的参数方程还可以写为螺旋线的重要性质性质:上升的高度与转过的角度成正比即上升的高度螺距第98页/共213页2023/2/1799消去变量z后得:曲线关于 的投影柱面投影柱面设空间曲线的一般方程:以此空间曲线为准线,垂直于所投影的坐标面.投影柱面的投影柱面的特征特征:三、空间
16、曲线在坐标面上的投影第99页/共213页2023/2/17100如图:投影曲线的研究过程.空间曲线投影曲线投影柱面第100页/共213页2023/2/17101类似地:可定义空间曲线在其他坐标面上的投影面上的投影曲线投影曲线,面上的投影曲线投影曲线,空间曲线在 面上的投影曲线投影曲线第101页/共213页2023/2/17102例例4 4 求曲线 在坐标面上的投影.解解(1)消去变量z后得在 面上的投影为第102页/共213页2023/2/17103所以在 面上的投影为线段.(3)同理在 面上的投影也为线段.(2)因为曲线在平面 上,第103页/共213页2023/2/17104截线方程为解解
17、如图,第104页/共213页2023/2/17105第105页/共213页2023/2/17106补充补充:空间立体或曲面在坐标面上的投影空间立体或曲面在坐标面上的投影.空空间间立立体体曲曲面面第106页/共213页2023/2/17107例例6解解 半球面和锥面的交线为一个圆,第107页/共213页2023/2/17108 如果一非零向量垂直如果一非零向量垂直于一平面,这向量就叫做于一平面,这向量就叫做该平面的该平面的法线向量法线向量法线向量的法线向量的特征特征:垂直于平面内的任一向量已知设平面上的任一点为必有一、平面的点法式方程第五节第五节 平面及其方程(一)平面及其方程(一)第108页/
18、共213页2023/2/17109平面的点法式方程平面的点法式方程 平面上的点都满足上方程,不在平面上的平面上的点都满足上方程,不在平面上的点都不满足上方程,上方程称为平面的方程,点都不满足上方程,上方程称为平面的方程,平面称为方程的图形平面称为方程的图形其中法向量已知点第109页/共213页2023/2/17110解解取所求平面方程为化简得第110页/共213页2023/2/17111取法向量化简得所求平面方程为解解第111页/共213页2023/2/17112由平面的点法式方程平面的一般方程平面的一般方程法向量二、平面的一般方程第112页/共213页2023/2/17113平面一般方程的几
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