第一节 向量及其线性运算

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1 第八章 向量代数与空间解析几何 教师 : 薛留堂 邮箱 : uelt@nu.edu.cn 办公室 : 后主楼 3

2 第一节 第八章 向量及其其线性运算 一 向量的概概念二 向量的线线性运算三 空间直角角坐标系四 利用坐标标作向量的线性运算五 向量的模模 方向角 投影

3 一 向量的概念 向量 : 既有大小, 又有方向向的量称为向量 ( 又称矢量 ). 表示法 : 有向线段 M M M, 或, 或. M 自由向量 : 与起点无关的向向量. M 若向量 与 大小相等, 方方向相同, 则称 与 相等, 记作 = ; 向量的模 : 向量的大小, 单位向量 : 模为 的向量, 记作 e 或 e. 零向量 : 模为 的向量, 它的方向可看做任任意的 3.

4 设有两非零向量任取空空间一点 O, 称 = AOB ( ) 为向量, 的夹角. 若向量 与 方向相同或相相反, 则称 与 平行, 记作 ; 规定 : 零向量与任何向向量平行 ; 与 的模相同, 但方向相反反的向量称为 的负向量, 记作 - ; 因平行向量可平移到同一直线上上, 故两向量平行又称两向量共线. 若 k ( 3) 个向量经平移可移到同同一平面上, 则称此 k 个向量共面. 4

5 二 向量的线性运算. 向量的加法 平行四边形法则 : 三角形法则 : 运算规律 : 交换律结合律 ( ) ( c ) c ( ) c ( c) 三角形法则可推广到多个向向量相加. c c c c 5

6 s s 3 6

7 . 向量的减法 显然, 任给向量 三角不等式 7

8 3. 向量与数的乘法 是一个数, 与 的乘积积是一个新向量, 记作. 规定 : 总之 : 运算律 : 结合律 分配律 ( ) ( ) 则有单位向量 e ( ). 因此 可见 ; e 8

9 定理. 设 为非零向量, 则 证 :. 设, 取 =± ( 为唯一实数 ),, 同向时取正号 反向时取负号, 则 与 同同向, 且 故. 再证数 的唯一性. 故, 设又有有 =, 则 ( ) 即. 9

10 已知 =, 则 =, 同同向, 反反向 例. 设 M 为 ABCD 对角角线的交点, 试用 与 表示 MA, MB, MC, MD. 解 : MA MC AC BD ( ) ( ) MB MD MA MB ( ( ) ) A D M B C

11 例 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. D 证 AM MC BM MD A M B C AD AM MD MC BM BM MC BC AD 与 BC 平行且且相等, 结论得证.

12 三 空间直角坐标系. 空间直角坐标系的基本本概念 过空间一定点 O, 由三条互互相垂直的数轴按右手规则 组成一个空间直角坐标系. 坐标原点 坐标轴 坐标面 卦限 ( 八个 ) Ⅳ Ⅶ Ⅲ 轴 ( 横轴轴 ) 称称为 O 坐标系. Ⅷ O 轴 ( 竖轴 ) O 面 O面 Ⅴ Ⅱ 轴 ( 纵轴 ) Ⅵ Ⅰ

13 . 向量的坐标表示在空间直角坐标系下, 任意意向量 r 可用向径 OM 表示. 以 i, j, k 分别表示,, 轴上的单位向量, 设点 M 的坐标为 M (,, ), 则 C OM ON NM OA OB OC M k j r O B i 记 A r i j k (,, ) N 此式称为向量 r 的坐标分解式式, 沿三个坐标轴方向的分向量量, 3

14 在直角坐标系下 点 M 有序数组 (,, ) 向径 r ( 称为点 M 的坐坐标, 也称为向径 r 的坐标 ) 特殊点的坐标 : 原点 O(,,) ; 坐标轴轴上的点 P, Q, R ; 坐标面上的点 A, B, C C(,, ) R(,, ) B(,, ) O P(,,) r M A(,,) Q(,,) 4

15 坐标轴 : O 坐标面 : 5

16 四 利用坐标作向量的的线性运算 设,, ), ( 平行向量对应坐标成比例例 : 当 时, ( (, (,, ),, 为实数, 则, ), ) 6

17 例 3. 求解以向量为未知元元的线性方程组 其中 (,,), (, ). 解 : -3, 得 3 ( 7,,) 代入 得 (3 ) (,,6) 7

18 例 4. 已知两点 在 AB 所在直线上求一点 M, 使 即 解 : 设 M 的坐标为 得 AM MB AM MB 如图所示 OM OA OB OM OM O A (OB OM ) OM ( OA OB (,, ) 及实数, o A A M B B M 8

19 说明 : 由 ( 得定比分点公式 : 当 时, 中点公式 :, 点 M 为 AB 的的中点, 于是得,,, ),, o A A M B B M 9

20 五 向量的模 方向角角 投影. 向量的模与两点间的距离离公式设 r (,, ), 作 OM r, 则有 r OM ON OP OQ NM OR 由勾股定理得 r OM 对两点与 因 O P R M Q N 得两点间的距离公式 : ( ) ( ) ( )

21 例 5. 求证以 为顶点 的三角形是等腰三角形. 证 : M M ( 7 4) ( 3) ( ) 4 M M 3 ( 5 7) ( ) ( 3 ) 6 M M 3 M M3 MM3 即 MM M3 ( 5 4) ( 3) 为等腰三角形. ( 3 ) 6 M M M 3

22 例 6. 在 轴上求与两点 及 等距 离的点. 解 : 设该点为 M (,, ), 因为 M A M B, (4) ( 7 ) 3 5 ( ) 解得 故所求点为 M 4 (,, 9 ). 思考 : () 如何求在 O 面上与 A, B 等距离之点的轨迹方程? () 如何求在空间与 A, B 等距离之点的轨迹方程?

23 例 7. 已知两点 解 : AB e ( 3,, ) AB 4 3,, 求 AB 的单位向量 e. 3

24 . 方向角与方向余弦 为其方向角. 方向角的余弦称为其方向余余弦. cos r cos cos r r 与三坐标轴的夹角,, O O r r 4

25 方向余弦的性质 : 5

26 例 8. 已知两点 和 计算向量 的模 方向余弦和方方向角. 解 : M M (, 3, ) (,, ) ( ) ( ) π 3, cos π 3,, cos 3π 4 6

27 例 9. 设点 A 位于第一卦限限, 向径 OA 与 轴 轴的夹角依次为 π, π 4, 且 O A 6, 求求点 A 的坐标. 3 π π 解 : 已知,, 则 3 4 cos cos cos 4 因点 A 在第一卦限, 故 cos, 于是 OA O A 6 cos, cos, cos 6, eoa 故点 A 的坐标为 (3,3, 3)., (3,3,3) 7 第二节

28 3. 向量在轴上的投影 M 设 与 u 轴正向的夹角为为, 则 在轴 u 上的投影为 cos O M u 记作 Prj 或 ( ) u u, 即 M ( ) u cos M O u 例如,,, ) 在坐标轴轴上的投影分别为,, ( 8 第二节

29 投影的性质 ) ) ( 为实数 ) Prj Prj c c Prj c ( ) 例. 设立方体的一条对角线线为 OM, 一条棱为 OA, 且 OA, 求 OA 在 OM 方向上的投影. 解 : 如图所示, 记 MOA =, cos Prj OM OA OA OM 3 OA cos 9 3 ( ) O M A c

30 备用题. 设 m i j, n j k, 求以向量 m, n 为边的平 行四边形的对角线的长度. 解 : 对角线的长为 m n m n (,,) m n (,3, ) m n m n 3 n m 该平行四边形的对角线的长长度各为 3,. 3

31 第二节 第八章 数量积向量积 * 混合积 一 两向量的的数量积二 两向量的的向量积 * 三 向量的混混合积 3

32 一 两向量的数量积 引例. 设一物体在常力 F 作作用下, 沿与力夹角为 的直线移动, 位移为 s, 则力力 F 所做的功为 W F s cos. 定义设向量, 的夹角为, 称 M 记作 为 与 的数量积 ( 点积 ). W F s s M 3

33 当 时, 在 上的投影影为 记作 Prj 故 同理, 当 时, Prj, 则. 性质 () (),为两个非零向量, 则则有 33

34 3. 运算律 () 交换律 () 结合律 ( ) ( ) ( ) ( ) (3) 分配律 事实上, 当 c ( ) 时, 显显然成立 ; c c Prj c c c Prj c c Prj c Prj c 当 c Prj ( ) 时 Pr c j c c Prj c ( c Prj c ) c 34

35 例. 证明三角形余弦定理 c 证 : 如图. 则 c, B C, A C c ( ) (, 设理 cos cos c B A A B C c ) cos c c, 35

36 4. 数量积的坐标表示设 当为非零向量时, cos 由于 k j i ( j i 两向量的夹角公式则 于 cos,, k j i ) k ) ( k j i j i k j i k, 得 36

37 AMB. 解 : MA (,, 则 故 例. 已知三点 M (,,), A(,,), B(,,), cos AMB AMB ), MB ( MA MB MA MB,, ) M A 求 B 37

38 例 3. 设均匀流速为的流流体流过一个面积为 A 的平面域, 且与该平面域的单位位垂直向量的夹角为求单位时间内流过该平面域域的流体的质量 P ( 流体密度为 ). 解 : P v 为单位向量 A v n A 单位时间内流过的体积 : v 38

39 二 两向量的向量积 引例. 设 O 为杠杆 L 的支点点, 有一个与杠杆夹角为 的力 F 作用在杠杆的 P 点上上, 则力 F 作用在杠杆上的力 矩是一个向量 M : M OP OQ F OP F F M OP M F M 符合右手规规则 o 39 sin F M P O OQ Q P OP F sin L

40 . 定义设, 的夹角为, 定义 方向 : 向量 c 模 : 称 c 为向量 与 c, c 且符合右手规则 c sin 的向量量积, 记作 c ( 叉积积 ) 引例中的力矩 c 思考 : 右图三角形面积 S= 4

41 . 性质 ( ) ( ), 为非零向量, 则 证明 : 当, 时, sin sin, 即 或 π 3. 运算律 () () 分配律 (3) 结合律 ( ) c c c ( ) ( ) ( ) sin ( 证明略 ) 4

42 ) ( k j i 4. 向量积的坐标表示式设, k j i ) ( i i i ) ( ( k ) ( ) ) ( k j i 式则,, k j i j ) ) ( j j ) ( k k i j k 4

43 向量积的行列式计算法 k j i i ) ( ) ( ( 行列式计算见上册附, j ) ( k k j i k j i 附录 I: P355~P358 ) 43

44 例 4. 已知三点 A(,,3), B( 3,4,5), C(,4,7), 角形 ABC 的面积. 解 : 如图所示, SABC AB AC AB AC i j 4 sin k 4 ( 6) 4 44 A B ( 4, 6, ) 求三 C

45 例 5. 设刚体以等角速度 绕 l 轴旋转, 导出刚体上一点 M 的线速度的表示式式. 解 : 在轴 l 上引进一个角速速度向量, 使 方向与旋转方向符合右手法法则, 在 l 上任取一点 O, 作 向径它与 点 M 离开转轴的距离 且 v r 的夹角角为, r 则 sin M 符合右右手法则, l O 其 45

46 * 三 向量的混合积. 定义已知三向量 记作 ( ) c 为,, c 的混合积. 几何意义 以,, c 底面积 为棱作平行六面体体, 故平行六面体体积为 V A A h c,,, c, 高 h 46 c 称数量 则其 c ( c ) c

47 k j i. 混合积的坐标表示设 c ) ( ),,, ( c ( c c c c c c ),,, ),, ( c c c c,, 47

48 3. 性质 () 三个非零向量,, c c 共面的充要条件是 () 轮换对称性 : [ c ] [ c ] [ c ] ( 可用三阶行列式推推出 ) c 48

49 例 6. 已知一四面体的顶点点 4 ), 求该四面体体积. 解 : 已知四面体的体积等等于以向量为棱的平行六面体体积的故 [ A A A A3 A A4 ] A,, A A A 3 A A 4 A 4 A A A 49

50 例 7. 已知 A (,,) B (,3,) C (4,,) M (,, ) 四点共面, 求点 M 的坐标 所满足的方程. 解 : A B C M 四点共共面 B AM AB AC 三向量共面 C [ AM AB AC ] M A 即 3 展开行列式即得点 M 的坐标标所满足的方程 3 4 5

51 内容小结设. 向量运算加减 : 数乘 : 点积 : (, ( (, ),, ( 叉积 : j i ),, ),, ),, ( ),,, c c c c k 5

52 混合积 :. 向量关系 : ) ( c c 共面,, c ( c c c c ) c c ) c 5

53 思考与练习,. 设 i j k, i j, 计算 及, 并求 夹角 的正弦与余弦. 答案 :, cos, 3 (,, sin 3). 用向量方法证明正弦定定理 : sin A sin B c sin C A c B C 53

54 证 : 由三角形面积公式 S ABC AC AB BA BC CB CA 因 所以 AC AB CB CA sin A c sin A c sin B sin B sin C c sin C A c B C 54

55 备用题 3π. 已知向量, 的夹角, 且, 3, 4 解 : ( ) ( ) cos 3π ( ) 3cos

56 . 三角形中, 在顶点为 A(,,), 求 AC 边上的高 解 : AC (,4, 3) AB (,, 三角形 ABC 的面积为 而 故有 ) B (,, ) BD. 和 C(,3, ) A B D 的 S AC AB ( ) AC 4 ( 3) 5, S AC BD 5 BD BD 5 56 C

57 定义 称列 ) 的数表 表达式 由四个数排成二行行二列 ( 横排称行 竖排 行列式, 并记作 即 附录 : 二阶与与三阶行列式 D 称为数数表 () 所确定的二阶 (). () 57

58 二阶行列式的计算 对角线法则 主对角线. 副对角线 58

59 三阶行列式定义定义 设有个数排成记 (6) 式称为数表 (5) 所 (5) 3 3 行列的数表 3, ) (6 所确定的三阶行列式三阶行列式. 59

60 三阶行列式的计算 对角线法则 D 列标 行标 注意红线上三元素的的乘积冠以正号, 蓝线上三元素的乘积冠以负号. 说明对角线法则只适适用于二阶与三阶行列式. 6

61 例如 余子式与代数余子 3, 子式 6

62 在 n 阶行列式中, 把元素 ij 所在的第行和第列划去后, 留下来的 n 阶行列式叫做元素 的余子式, 记作. 记 M ij i j, A ij M 叫做做元素 的代数余子式. ij i j ij ij 例如 D M A 3 M M 3. 6

63 行列式按行 ( 列 ) 展开法则 定理行列式等于它的任任一行 ( 列 ) 的各元素与其对应的代数余子式乘乘积之和, 即 D i A i i A i in A in i,,,n 例如 D

64 行列式的性质 记 D n n T D n n n n nn n n nn 行列式 T D 称为行列式 D 的转置行列式. 性质 行列式与它的转转置行列式相等. 64

65 说明行列式中行与列具有有同等的地位, 因此行列式的性质凡是对行成立的对对列也同样成立. 性质 互换行列式的两行行 ( 列 ), 行列式变号. 推论如果行列式有两行 ( 列 ) 完全相同, 则此行列式为零. 证明互换相同的两行, 有 D D, D. 65

66 性质 3 行列式的某一行 ( 列 ) 中所有的元素都乘以同一数 k, 等于用数 k 乘此行列式. k i n k i n n k nn in k i n i n n in nn 推论行列式的某一行 ( 列 ) 中所有元素的公因子可以提到行列式符号的的外面. 性质 4 行列式中如果有有两行 ( 列 ) 元素成比例, 则此行列式为零. 66

67 性质 6 把行列式的某一同一数然后加到另一列 ( 行列式不变. ni n i i ni n i i j i k k k kr r ( ( ( k 例如一列 ( 行 ) 的各元素乘以行 ) 对应的元素上去, 行 nj nj j j n j nj nj nj j j j n j j ) ) ) 67

68 第三节 第八章 平面及其其方程 一 曲面方程与与空间曲线方程的概念二 平面的点法法式方程三 平面的一般般方程四 两平面的夹夹角 68

69 一 曲面方程与空间曲曲线方程的概念 引例 : 轨迹方程. 化简得 求到两定点 A(,,3) 和 B(,-,4) 等距离的点的 解 : 设轨迹上的动点为 M (,, ), 则 AM BM, ( ) ( ) ( 3) 6 7 说明 : 动点轨迹为线段 AB 的垂直平分面. 显然在此平面上的点的坐标标都满足此方程, 不在此平面上的点的坐标不不满足此方程. 69 ( ) ( ) ( 即 4)

70 如果曲面 S 与方程 F(,, ) = 有下述关系 : () 曲面 S 上的任意点点的坐标都满足此方程 () 不在曲面 S 上的点点的坐标不满足此方程 则 F(,, ) = 叫做曲面 S 的方程, 曲面 S 叫做方程 F(,, ) = 的图形. F(,, ) S 空间曲线可视为两曲面的交交线, 其对应方程为方程组 S G(,, ) O S C F(,, ) 则方程组 () 叫做空间曲线 C 的方程, 7 曲线 C 叫做方程组 () 的图图形.

71 两个基本问题 : () 已知一曲面 ( 曲线 ) 作作为点的几何轨迹时, 求曲面 ( 曲线 ) 方程. () 已知方程时, 研究它它所表示的几何形状 ( 必要时需作图 ). 首先我们在空间直角坐标标系中讨论最简单的曲面与曲线 ---- 平面与直直线. 7

72 二 平面的点法式方程 量 n ( A, B, C), 故 设一平面通过已知点 M (,, 任取点 M (,, ), M M M 求该平面 的方程. n M n 则有 ) 且垂直于非零向 M n M O A( ) B( ) C ( ) 称 式为平面 的点法式方方程, 称 n 为平面 的法向量. 7

73 例. 求过三点 的平面 的方程. 解 : 取该平面 的法向量为为 又 M, n MM MM 3 i j k ( 4, 9, ) M 利用点法式得平平面 的方程 n M 3 M 即 73

74 说明 : 此平面的三点式方方程也可写成 一般情况 : 过三点 M k ( 的平面方程为 6 k,, ) ( k,,3) k k 74

75 特别, 当平面与三坐标轴的的交点分别为 时, 平面方程为 此式称为平面的截距式方程程. 分析 : 利用三点式 c (, c 按第一行展开得 ( ) c () c 即 c c, c ) 75 c

76 三 平面的一般方程 设有三元一次方程 A B C D ( A B C ) 任取一组满足上述方程的的数,, A B C D, 则 以上两式相减, 得平面的点点法式方程 显然方程 与此点法式方程程等价, 因此方程 的图形是法向量为 n ( A, B, C) 的平面, 此方程称为平面的一般方程. 76

77 A B C D ( A B C ) 特殊情形 当 D = 时, A + B + C = 表示通过原点的平面 ; 当 A = 时, B + C + D = 的法向量 n (, B, C) i, 平面平行于 轴 ; A +C +D = 表示平行行于 轴的平面 ; A +B +D = 表示平行于于 轴的平面 ; C + D = 表示平行于 O 面的平面 ; A + D = 表示平行于 O 面的平面 ; B + D = 表示平行于 O 面的平面. 77

78 例. 求通过 轴和点 ( 4, 3, ) 的平面方程. 解 : 因平面通过 轴, 故 A D 设所求平面方程为 B C 代入已知点 ( 4, 3, ) 得化简, 得所求平面方程 例 3. 用平面的一般式方程程导出平面的截距式方程. (P7 例 4) 78

79 四 两平面的夹角 两平面法向量的夹角 ( 常指锐角角或直角 ) 称为两平面的夹角. 设平面 的法向量为 平面 的法向量为 则两平面夹角 的余弦为 即 cos cos A A n n n n A BB B C n n ( A, B, C) ( A, B, C) C C A B C n n 79

80 : : n n ( A ( A,, B B,, C C ) ) cos n n n n 特别有下列结论 : n ( ) n n A A B B C C n ( ) // A A n // B B n C C n n 8

81 例 4. 一平面通过两点 M (,,) 和 M (,, ), 且垂直于平面 : + + =, 求其方程. 解 : 设所求平面的法向量为则所求平面 方程为 A( ) B( ) C( ) n M M A B C, n 的法向量 A B C, 即 故 因此有 C( ) C( ) C( ) ( C 约去 C, 得 ( ) ( ) ( ) 即 8 )

82 例 5. 设 外一点, 求 P 是平面面到平面的距离离 d. 解 : 设平面法向量为 n (AA, B, C), 在平面上取一点 P (,, ), 则 P 到平面的的距离为 P P n n d Prj n P P n A( ) B( ) C( ) d A B C P P d A A B B C C 8 D ( 点到平面的距离公式 )

83 例 6. 求过点 (,,) 且垂直于二二平面 的平面面方程. 和 解 : 已知二平面的法向量量为 n (,, ), n (3,, ) 取所求平面的法向量 n n n (, 5, 5 ) 则所求平面方程为 ( ) 5( ) 5( ) 化简得

84 内容小结. 平面基本方程 : 一般式点法式截距式 C B A c 三点式 3 3 D ) ( C B A 3 ( ) c 84

85 . 平面与平面之间的关系 平面 平面 : A B C : A B C D, n A, B, ) ( C D, n ( A, B, C ) 垂直 : A A BB CC 平行 : n n A A B B C C 夹角公式 : cos n n n n 85

86 备用题 : 求内切于平面 + + = 与三个坐标面所构成四面体的球面方程. 解 : 设球心为 M (,, ),, 3 则它位于第一卦限, 且 3 R( 半径 ) 故 因此所求球面方程为 O M 86

87 第四节 第八章 空间直线及及其方程 一 空间直线线方程二 线面间的的位置关系 87

88 一 空间直线方程. 一般式方程直线可视为两平面交线线, 因此其一般式方程 A B C D ( 不唯一 ) L O 88

89 . 对称式方程 如果一个非零向量平行于一条已已知直线, 则这个向量叫做这条直线的方向向量 已知直线上一点 M (,, ) 和它的方向向量设直线上的动动点为 M (,, ) 则故有 m n 此式称为直线的对称式方程 ( 也称为点向式方程 ) 说明 : 某些分母为零时, 其分分子也理解为零. 例如, 当 m n, p 时,,. 89 p 直线方程为 s O M L M (,, ) (,, )

90 3. 参数式方程 设 m n p t 得参数式方程 : mt nt pt 9

91 例. 用对称式及参数式表表示直线 解 : 先在直线上找一点. 令 =, 解方程组 3 6, 得, 是直线上一点. 再求直线的方向向量 s. 已知直线的两平面的法向向量为 s n, s n s n n 9

92 i j k s n n 3 故所给直线的对称式方程程为 ( 4,, 3) 4 t 参数式方程为 解题思路 : 先找直线上一点点 ; 再找直线的方向向向量. 是直线上一点 9

93 二 线面间的位置关系. 两直线的夹角 两直线的夹角指其方向向量间间的夹角 ( 通常取锐角或直角 ) 设直线 L, L 的方向向量分分别为 L 则两直线夹角 满足 cos s s m s s m m n n p 93 n p p m s n p s L

94 特别有 : ( ) L L s s m m nn p p L s s L ( ) L // L s // s m n m n p p s s L L 94

95 例. 求以下两直线的夹角角 解 : 直线 L 的方向向量为 直线 L 的方向向量为 二直线夹角 的余弦为 cos 从而 ( 4) ( ) ( ) s ( 4) π 4 i 95 j L k : (,, ) ( ) ( )

96 . 直线与平面的夹角当直线与平面不垂直时, 直线和它在平面上的投影直 线所夹锐角 称为直线与平面面间的夹角 ; 当直线与平面垂直时, 规定定其夹角为 n 设直线 L 的方向向量为 s 平面 的法向量为 n 则直线与平面夹角 满足 sin cos( s, n) s n s n m Am Bn C p n 96 ( m, n, p) ( A, B, C p A L s ) B C

97 特别有 : () ( ) L L // s // n s n A m Am B n B n C p C p 例 3. 求过点 (,-, 4) 且与与平面 直的直线方程. 解 : 取已知平面的法向量量 为所求直线的方向向量. 则直线的对称式方程为 3 97 n (, 4 3,) n 垂

98 三 杂例 例 4. 求与两平面 4=33 和 5= 的交线平行, 且过点 ( 3,, 5) 的直线方程. 解 : 所求直线的方向向量量可取为 s n n ( 4, 3, ) 利用点向式可得方程

99 例 5. 求直线 与平面 的交点. t 解 : 化直线方程为参数方方程 代入平面方程得 t 从而确定交点为 (,,). 99

100 例 6. 求过点 (,, 3 ) 且与与直线垂直相交的直线方程. 提示 : 先求二直线交点 P. 过过已知点且垂直于已知直线的平面的法向量为故其方程为 化已知直线方程为参数方程程, 代入 式, 可得交点 最后利用两点式得所求直线线方程 3 4 P (,, 3) s ( 3,, ) (,, )

101 过直线的平面束方程过直线 : C B A C B A L 的平面束 ( D C B A ( B A 方程, 不全为 D D ) ) D C B

102 例 7. 求直线 在平面 上的投影直线方程. 即 解 : 过已知直线的平面束束方程 ( 从中选择 使其与已知平面面垂直, 故应有 : ) 得, 从而得投影直线方方程 这是投影平面 这是给定的平面

103 例 8. 一直线过点 又和直线 且垂垂直于直线 L : 3 相交交, 求此直线方程., 解 : 方法 利用叉积. 设直线 L i 的方向向量为 s i ( i,), 过 A 点及 L 的平面的法向量为 n, 则所求直线线的方向向量 s s n, n 因原点 O 在 L 上, 所以 A i j k L n s OA 3 i 3 j 3k O s 3

104 待求直线的方向向量 故所求直线方程为 3 5 方法 利用所求直线与 L 的交点. 设所求直线与 L 的交点为为 B,, 则有 即 s s n i, j k 3 3(3 i j 5 k) ( ), A(,,) L B(,, ) 4

105 而 AB,, ( ) L L : 3 3( ) ( ) ( ) 将, 代入入上式, 得 AB (,, ) 由点向式得所求直线方程程 3 7 (3,, 5) A(,,) 3 5 L B(,, ) 5

106 . 空间直线方程一般式对称式参数式 C B A C B A pt nt mt ( p n m 内容小结 D C D C ) 6

107 n m L : 直线 n m L :. 线与线的关系直线夹角公式 : s s L L // L L s s cos s s s s, p, p p p n n m m 7

108 3. 面与线间的关系 平面 : 直线 L : L L // 夹角公式 : A B C D, n ( A, B, C ), s ( m, n, p) m n p m n p s n A B C s n sin s s n n m A n B pc L 8

109 第五节 第八章 曲面及其其方程 一 曲面研究究的基本问题 二 旋转曲面面三 柱面四 二次曲面 9

110 一 曲面研究的基本问问题 定义. 如果曲面 S 与方程 F(,, ) = 有下述关系 : () 曲面 S 上的任意点的的坐标都满足此方程 () 不在曲面 S 上的点的的坐标不满足此方程 则 F(,, ) = 叫做曲面 S 的方程, 曲面 S 叫做方程 F(,, ) = 的图形. 两个基本问题 : () 已知一曲面作为点的几何何轨迹时, O 建立曲面方程. () 已知坐标,, 间的方程时, 研究它所表示的几何形状 ( 有时需作图 ). F(,, ) S

111 例. 求动点到定点 方程. 即 解 : 设轨迹上动点为 故所求方程为 ( ) ( ) ( ) R 特别, 当 M 在原点时, 球面面方程为 R 依题意 ( ) ( ) ( ) 表示示上 ( 下 ) 球面. 距离为 R 的轨迹 R O M M

112 例. 研究方程 的曲面. 解 : 配方得可见此方程表示一个个球面 球心为 M (,, ), 半径为 说明 : 如下形式的三元二二次方程 ( A ) 5 表示怎样 都可通过配方研究它的图形形. 其图形可能是一个球面, 或点.

113 二 旋转曲面定义. 一条平面曲线绕绕其平面上一条定直线旋转一周所形成的曲面叫做旋转转曲面. 旋转曲线和定直线分别称为旋转曲面的母线和和旋转轴. 例如 : 3

114 建立 O 面上曲线 C 绕 轴轴旋转所成曲面的方程 : 给定 O 面上曲线 C: 若点 M (,, ) f (, ) C 当绕 轴旋转时, M (,, ), 则有, 故旋转曲面方程为, 则有 该点转到 f (, ) M (,, ) O C M (,, ) f (, ) 4

115 思考 : 当曲线 C 绕 轴旋旋转时, 方程如何? C : f (, ) O f (, ) 5

116 直线 L 绕另一条与 L 相交的直线旋转一一周, 所得旋转曲面叫做圆锥面 两直线交点叫做圆锥面的顶点, 两直直线夹角 例 3. 试建立顶点在原点, 旋转轴为 轴, 半顶角为的圆锥面方程. 解 : 在 O 面上直线 L 的方方程为 L 叫做圆锥面的半顶角 绕 轴旋转时, 圆锥面的方方程为 O M (,, ) 两边平方 ( ) 6

117 例 4. 求坐标面 O 上的双双曲线轴和 轴旋转一周所生成的的旋转曲面方程. 解 : 绕 轴旋转所成曲面面叫做旋转双叶双曲面, 其方程为 分别绕 O c O 绕 轴旋转所成曲面叫做 旋转单叶双曲面, 其方程为为 O c 7

118 三 柱面 引例. 分析方程 表示怎样的曲面. 解 : 在 O 面上, 在圆 C 上任取一点 M (, 平行 轴的直线 l, 的坐标也满足方程 R 沿圆周 C 平行于 轴的一一切直线所形成的曲面称为圆 柱面. 其上所有点的坐标都都满足此方程, 故在空间 R 对任意,),, 表示圆 C, 过此点作 点 M (,, ) 表示圆柱面 C O M M l 8

119 定义 3. 平行于定直线并沿定定曲线 C 移动的直线 l 形成 的轨迹叫做柱面. 定曲线 C 叫做柱面的准线, 动直线 l 叫做它的母线. 表示抛物柱面, 母线平行于 轴 ; O 准线为 O 面上的抛物物线. 表示母线平行行于 轴的椭圆柱柱面. 表示母线平行于 轴的平面. ( 且 轴在平面上上 ) 9 l C O O

120 一般地, 在三维空间 方程 F(, ) 表示柱面, 母线平行于 轴 ; 准线 O 面上的曲线 l. O l l 方程 G(, ) 表示柱面, 母线平行于 轴 ; 准线 O 面上的曲线 l l. O 方程 H (, ) 表示柱面, 母线平行于 轴 ; 准线 O 面上的曲线 l l 3. l 3 O

121 四 二次曲面 三元二次方程 F(,, ) A B C D E F G H I ( 二次项系数不不全为 ) 的图形统称为二次曲面. 其其基本类型有 : 椭球面 抛物面 双双曲面 锥面适当选取直角坐标系可得得它们的标准方程, 下面仅就几种常见标准型的特点进进行介绍. 研究二次曲面特性的基本本方法 : 截痕法 J

122 . 椭球面 ( c () 范围 :,, () 与坐标面的交线 : 椭圆, O ),, 为正数 c c 圆, c c

123 c (,,c为正数 ) (3) 截痕 : c 与 ( c) 同样 ) 及 也为椭圆. ( c ) c ( ( c ) 的交线为椭圆 : ) 的截痕 (4) 当 = 时为旋转椭球球面 ; 当 ==c 时为球面. 3

124 . 抛物面 () 椭圆抛物面 p q ( p, q 特别, 当 p = q 时为绕 轴的旋旋转抛物面. 用截痕法讨论 : 设 p, 用坐标面 o( ) 与曲曲面相截, 截得坐标原点 O 它是椭圆抛物面的顶点点. 与平面 ( ) 的的交线为椭圆. p q 同号 ) q O 与平平面 ( ) 不相交. 4

125 用坐标面 o ( ) 与曲面面相截 椭圆抛物面 截得抛物线 与平面 p 的交线为抛抛物线. 它它的轴平行于 轴 p q 顶顶点,, q 用坐标面 o ( ), 与曲面相截 o 同理当 均可得抛物线. p, q 时可类类似讨论 5.

126 () 双曲抛物面 ( 马鞍面 ) 用截痕法讨论 : 用坐标面 o p q ( p, q 同 设 p, q ( ) 同号 ) 与曲面相截, 截得一对相交直线 与平面 p q ( ) 的交交线为双曲线. 6 o

127 用坐标面 o ( ) 与曲曲面相截 截得抛物线 p 与平面 的交线为开开口向下的抛物线. p q 顶顶点 以此截痕 l 为母线, 顶点的轨迹 L 为为准线, 母线 l 的顶点在准线上滑动, 且母线作平行移动, 由此就得到到了双曲抛物面. 用坐标面 o (,),, q 7 与曲面相截, 类似

128 3. 双曲面 () 单叶双曲面 平面 平面 ) 上的截痕为 椭椭圆. 时, 截痕为双曲曲线 : c c 上的截痕情况况 : (,, c 为正数 ) ( 实轴平行于 轴 ; 虚轴平行于 轴 ) O 8

129 ) 时, 截痕为相交交直线 : c ( 或 ) 3 ) 时, 截痕为双曲线线 : c ( 实轴平行于 轴 ; 虚轴平行于 轴 ) O O 9

130 () 双叶双曲面 c (,, c 为正数 ) 平面 上的截痕为双曲线 O 平面 上的截痕为 双曲线 平面 ) 上的的截痕为椭圆 ( c 注意单叶双曲面与双叶双双曲面的区别 : c 单叶双曲面 双叶双曲面 图形 3 P8

131 4. 椭圆锥面 在平面 ( t) (, 为正数 ) t 上的截痕为椭椭圆, t ( t ) 在平面 = 或 = 上的截截痕为过原点的两直线. ( 椭圆锥面也可由圆锥面面经 或 方向的伸缩变换得到, 见 P4 ) O 3

132 内容小结. 空间曲面三元方方程 F(,, ) 球面 ( ) ) ( R 旋转曲面 柱面 如, 曲线 ( f f (, ) ( ) 绕 轴的旋转曲面 : 如, 曲面 F(, ) 表示母线平行 轴的柱面. ) 又如, 椭圆柱面, 双曲曲柱面, 抛物柱面等., 3

133 . 二次曲面三元二二次方程 椭球面 抛物面 : ( p, q同号 ) 椭圆抛抛物面 p q 双曲面 : 单叶双曲面 椭圆锥面 : 33 双曲抛物面双叶双曲面

134 思考与练习. 指出下列方程的图形 : 方程 平面解析几何何中 空间解析几何中 5 平行于 轴的的直线平行于 O 面的平面 9 圆心在 (,) 半径为 3 的圆 以 轴为中心轴的圆柱面 斜率为 的直直线 平行于 轴的平面 34

135 . P44 题 3, 题 答案 : 在 O 面上 35

136 第六节 第八章 空间曲线及及其方程 一 空间曲线的的一般方程二 空间曲线的的参数方程三 空间曲线在在坐标面上的投影 36

137 一 空间曲线的一般方程 空间曲线可视为两曲面的的交线, 其一般方程为方程组 S G(,, ) S L F(,, ) 例如, 方程组 C 表示圆柱面与平面的交线 C. O 37

138 又如, 方程组 表示上半球面与圆柱面的交交线 C. C 38

139 二 空间曲线的参数方程 将空间曲线 C 上的动点坐标,, 表示成参数 t 的函数 : () 当给定 时, 就得到 C 上上的一个点 随着 t 的变动便可得曲线 C 上的全全部点 称方程组 () 为空间曲线的 C 参数方程. 39

140 例 如果空间一点 M 在圆圆柱面 上以角速度 绕 轴旋转, 同时时又以线速度 v 沿平行于 轴的正方向上升 ( 其中 v 都是常数 ), 那么点 M 构成的图形叫做螺旋线. 试建立其参数方程. 解 t A o M M 取时间 t 为参数, 动点从 A 点出发, 经经过 t 时间, 运动到 M 点 M 在 o 面的投影 M (,,) cost sint vt 螺旋旋线的参数方程 4

141 螺旋线的参数方程还可以以写为 cos sin ( t, 螺旋线的重要性质 : v ) 上升的高度与转过的角角度成正比. 即 :, :,, 上升的高度度 h 螺距 4

142 例. 将下列曲线化为参数方方程表示 : 解 : () 根据第一方程引入入参数, 得所求为 () 将第二方程变形为 故所求为 4

143 三 空间曲线在坐标面上上的投影 F(,, ) 设空间曲线的一般方程 : G(,, ) 消去变量 后得 : H(, ) 曲线线关于 o 的投影柱面投影柱面的特征 : 以此空间曲线为准线,(( 母线 ) 垂直于所投影的坐标面. 43

144 类似地 : 可定义空间曲线 ), ( R o 面上的投影曲线, ), ( H 空间曲线在面上的投 o 线在其他坐标面上的投影 ), ( T o 面上的投影曲线, 投影曲线 44

145 如图 : 投影曲线的研究过过程. 空间曲线 投影影柱面 投影曲线 45

146 例 3 求曲线 解 () 消去变量 后得, 4 3 在面上的投影为 o, 4 3 在坐标面上的投影. 得 46

147 () 因为曲线在平面 所以在 o 面上的投影影为线段. 3, ; (3) 同理在 o 面上的的投影也为线段., 3. 上, 47

148 例如, C : ( ) ( ) 在 O 面上的投影曲线方程程为 O C 48

149 又如, 上半球面和锥面所围的立体在 O 面上的投投影区域为 : O 面上的投影曲线所围之之域. 二者交线 二者交线在 在 O 面上的投影曲线 所围圆域 :,. C O 49

150 例 4 求曲线绕 轴旋转的曲面与平面 的交线在 O 平面的投影曲线方程. 解 : 旋转曲面方程为 交线为 此曲线向 O 面的投影柱柱面方程为, 它与所给平面的 此曲线在 O 面上的投影影曲线方程为 5

151 P5 题 7 O O (, ) 5

152 内容小结 空间曲线 求投影曲线 三元方方程组或参数数方程 ( 如, 圆柱螺线 ) 思考与练习 P36 题,,7( 展示示空间图形 ) 5

153 答案 : P5 题 () () 4 O O 53

154 (3) O 54

155 P5 题 () O 55

156 P5 题 () 思考 : 对平面 O 3 交线情情况如何? 交线情情况如何? 56

157 习题课 第八章 向量代数数与空间解析析几何 一 内容小小结二 实例分分析 57

158 一 内容小结 向量代数 向量的概念 定义 : 既有大小又有方方向的量称为向量. 自由向量 向量相等等 向量的模 单位向量量 零向量 向量的夹角 负向量量 平行向量 向径. 58

159 向量的线性运算 () 加法 : c () 减法 : d (3) 向量与数的乘法 : 设 是一个数, 向量 ( ), 与 与 的乘积 同向 ( ),, ( 3), 与 反向 规定为 向, d c 59

160 3 向量的表示法 向量的分解式 : 在三个坐标轴上的分向量 : 向量的坐标表示式 : (,, ) 向量的坐标 : 其中,, i,, 分别为向量在 j i, k j, k,, 轴上的投影. 6

161 向量的加减法 向量与数的的乘积等的坐标表达式 (,, ) (,, ) (,, ) ( ) i ( ) j ( (,, ) ( ) i ( ) j ( (,, ) ( ) i ( ) j ( ) k ) k ) k 6

162 向量模长的坐标表示式 cos cos cos 向量方向余弦的坐标表示 M M 它们距离为设 ),, ( M, ( M 示式 ) cos cos cos (, ) 为空间两点 6

163 4 数量积 ( 点积 内内积 ) cos 数量积的坐标表达式 两向量夹角余弦的坐标表表示式 cos 其中 为 与 的夹角 63

164 5 向量积 ( 叉积 外积) c sin 其中 为 与 的夹角 c 的方向既垂直于, 又垂直于, 指向符合右手系. 向量积的坐标表达式 ( ) i ( i j k ( ) k 64 // ) j

165 6 混合积 [ c] ( ) c c c c 65

166 利用向量运算解决下下列问题 () 判定两个向量平行 () 判定两个向量垂直 (3) 判定 A,B,C 三点共线 (4) 判定四点共面或三个向量共面 (5) 平行四边形面积三角形面积平行六面体的体积四面体的体积 AB BC ( AB AC) AD S S / V ( ) c V ( ) c / 6 66

167 例 设, c, 为任意三个向量, 则下列等式正确的为 A. B. ( ) c ( c ); C. D. ; ( ) c c ( );. C 67

168 例 设向量 m, n, p两两 m 4, n, p 两垂直, 符合右手规则, 且 3, 计算 ( m n) p. 解 m n m n sin( m, n ) 4 8, m n 与 p 同向, ( m n, p) ( m n) p m n p cos 依题意知 68

169 例 3. 已知 c. 证明 c c 例 4. 证明三角形三条高高线交于一点. 69

170 空间平面一般式点法式截距式 c 三点式 3 3. 空间直线与平面的方程空间解析几何 3 程 ),, ( : 点 ),, ( : C B A n 法向量 7

171 为空间直线一般式对称式参数式 C B A C B A pt nt mt ),, ( ),, ( p n m s 为直为直线的方向向量. D D 直线上一点 ; 7

172 . 线面之间的相互关系 面与面的关系 平面平面 垂直 : 平行 : : A B C n n 夹角公式 : cos n n n n D C A A A A B B CC, n ( A, B, ) B B C C 7

173 n m L : 直线 n m L : 线与线的关系直线垂直 : 平行 : 夹角公式 : s s cos s s, p p p n n m m, p p p n n m m ),, ( p n m s ),, ( p n m s s s 73

174 面与线间的关系 平面 : 直线 : A 垂直 : s n 平行 : m B C n s n D, n ( A, B, C) p, s ( m, n, p) m A n B p C 夹角公式 : sin s s n n 74

175 3. 相关的几个问题 () 过直线 : C B A C B A L 的平面束 ( D C B A ( B A 方程, 不全为 D D ) ) D C B 75

176 () 点 M 的距离为 (,, ) 到平面 :A +B +C +D = M d n M 76

177 i 到直的距离为 (3) 点 p n m m s s M M d k j 直线 p n m d ),, ( p n m s ),, ( M ),, ( M 77

178 4. 曲面 [] 旋转曲面 定义 : 以一条平面曲线绕其平面上的一条定直线旋转一周所成的曲面称之. 这条定直线叫旋转曲面的轴轴. 方程特点 : 设有平面曲线 () 曲线 L 绕 L : f (, ) 轴旋旋转所成的旋转曲面方程为 f (, ) () 曲线 L 绕 轴旋旋转所成的旋转曲面方程为 f (, ) 78

179 () 球面 () 圆锥锥面 (3) 旋转双曲面 c 79

180 [] 柱面 平行于定直线并沿定曲线线 C 移动的直线 L 所形成的曲面称之为柱面面. 这条定曲线叫柱面的准线, 动直线叫柱面的母线. 柱面的特征 : 只含, 而缺 的方程 F (, ) 空间直角坐标系中表示母母线平行于 轴的柱 面, 其准线为 o 面上曲线 C. 程, 在 8

181 () 平面 () 圆柱面 R (3) 抛物柱柱面 p ( p 8 ) (4) 椭圆柱面

182 [3] 二次曲面 定义 : 三元二次方程所表示示的曲面称为二次曲面. () 椭球面 c () 椭圆圆抛物面 p q ( p 与 q 同号 ) (3) 马鞍面 p q ( p 与 q 同号 ) 8

183 (4) 单叶双曲面 c O (5) 双 (6) 圆锥面 O 双叶双曲面 c 83

184 5 空间曲线 ),, ( ),, ( G F [] 空间曲线的一般方程 ) ( ) ( ) ( t t t [] 空间曲线的参数方程程程 84

185 ) ( ) ( sin sin cos t t t 如图空间曲线一般方程为参数方程为 85

186 [3] 空间曲线在坐标面上消去变量 后得 :, ( H 设空间曲线的一般方程 : 曲线在面上的投影曲 o ), ( R o 面上的投影曲线上的投影 ),, ( ),, ( G F ) : ), ( H 曲线为 ), ( T o 面上的投影曲线 86

187 如图 : 投影曲线的研究过过程. 空间曲线 投影影柱面 投影曲线 87

188 [4] 空间立体或曲面在坐坐标面上的投影 空间立体 曲面 88

189 二 实例分析例 求点 M(-,,) 在平面面 +-+= 上的投影. 解 : 平面的法向量 n {,, } 过 M 且与平面垂直的直直线方程 L : 下面只需求直线 L 与平平面的交点 N 即可. 利用直直线的参数方程 89

190 则直线 L 的参数方程 : 代入平面方程得 t t t t (t ) ( t ) 解得 t 3 5 从而所求投影为 N (,, )

191 例. 设一平面平行于已知知直线 5 且垂直于已知平面 7 4 3, 求该平面法线的 的方向余弦. 提示 : 已知平面的法向量量 求出已知直线的方向向量量 取所求平面的法向量 所求为 n cos s n 3 5, i 7 cos 9 n (7,, j k 4) (3, 5, 4) 4 5 4, cos 5 5

192 5 例 3. 求过直线 L : 4 夹成角的平面方方程. 提示 : 过直线 L 的平面束方方程 且与平面 n 4 8 π 4 n 其法向量为 已知平面的法向量为 选择 使 cos π 4 n n n 从而得所求平面方程 n (, 5, ). n n (, 4, 8)

193 例 4. 求过点 且与与两直线 提示 : 都相交的直线 L. 思路 : 先求交点 M M 再写直线方程程., ; 的方程化为参数数方程 L M M L L M 设 L 与它们的交点分别为 M( t,t, t ), M ( t,3t 4,t ). 93

194 M M,, M 三点共线 M M // M M t, t M (,, ), L : M (,,3) L M M L L M M( t,t, t ), M ( t,3t 4,t ) 94

195 例 5. 直线绕 轴旋转一周, 求此旋转曲面的方程. 提示 : 在 L 上任取一点 得旋转曲面方程 旋转转轨迹上任一点, 则有 L r r M O 95 M

196 思考与练习 P5 题 画出下列各曲曲面所围图形 : () 抛物柱面, 平面 及 ; 4 () 抛物柱面, 平面, 及 ; (4) 旋转抛物面, 柱面, 平面 及. 96

197 解答 : P53 题 () 4 ( 8,,) 4 (,,) O O 97

198 P53 () O O 面 O 面 O 98

199 P53 (4) (, ) O (, ) 99

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没有幻灯片标题 3. 曲面及其方程 一 曲面方程的概念 曲面的实例 : 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 : 如果曲面 S 与三元方程 (,, ) F 有下述关系 : (1) 曲面 S 上任一点的坐标都满足方程 ; () 不在曲面 S 上的点的坐标都不满足方程 ; 那么, 方程 (,, ) 而曲面 S 就叫做方程的图形. F 就叫做曲面 S 的方程, 一 曲面方程的概念

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