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平面方程及其应用

下一节:向量的向量积

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平面方程及其应用课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课程

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大 微积分老师 宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲 我们来学习平面方程及其应用

过给定点P

可以作一个与方向n垂直的平面

那么 平面方程是多少

如何利用点和方向的信息

确定平面的方程

进一步地

利用平面方程

可以解决哪些几何问题

这就是本讲的中心任务

考察过给定点P1

与方向n垂直的平面所具有的特点

对于该平面内任何一点P 连接P1 P

那么 P1 P与n垂直

也就是两者的数量积为零

即可得到平面的点法式方程

从这个方程

立刻可以看出 平面的法向量n的坐标

也就是方程相应的一次项的系数

平面位置 过P1

平面的点法式方程

是关于点坐标x y z的一次方程

一次项的系数就是法向量对应的坐标

那么 反过来

关于变量x y z的一次方程

一定表示一个平面吗

关于变量x y z的三元一次方程

这三元一次方程一定存在解

任取一组解(x1,y1,z1)

与原来的方程作差

即可得到过点P1

与方向n垂直的平面的点法式方程

因此

任何一个关于变量x y z的三元一次方程

就表达了一个平面

故称三元一次方程为平面的一般方程

从平面的一般方程

可以立刻看出平面的法向量n

具体地 给定点P1和法向量n

求出平面的方程

写出平面的点法式方程

如果将点法式方程中乘积展开

并移项整理可得 平面的一般方程

给定两个平面α和β

试求平面α和β的夹角

回顾一下 在立体几何中

如何计算两个平面的夹角的

过两个平面的交线L上的任一点P

分别在平面α和β内作交线L的垂线

这样 两条垂线的夹角

就是两个平面夹角—二面角

利用数量积概念

从两个平面α和β的方程中

读出法向量n1 和n2

那么 利用数量积

可以计算出法向量n1和n2的夹角

问题是

法向量的夹角就是两个平面的夹角吗

这样的定义的角度

与立体几何中二面角一致吗

或者两者有什么关系

同学 动脑想一想

动手画一画 到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

已知平面α和β的方程

试求平面α和β的夹角

从平面的一般方程

可以得到平面的法向量

那么 向量n1和n2夹角的余弦值

因此可得

向量n1和n2的夹角约为76.26°

这就是平面α和β的夹角

由此可以看出

建立直角坐标系之后

向量的数量积和平面的夹角

都约化为关于坐标的形式计算

这就是建立直角坐标系的好处

给定平面α

以及平面外一点P0

如何定义和计算点到平面的距离

在立体几何中

如何定义和计算点到平面的距离的

过点P0向平面α作垂线

P0到垂足Q的距离

就是点P0到平面α的距离

那么 如何计算点到平面的距离

利用向量的数量积

可以定义和计算点到平面的距离

平面外一点P0

到平面α内的任何一点P的距离的最小值

就是点P0到平面α的距离

如何计算

连接点P0 P

得到向量P0 P

向量P0 P

在平面的法向量n方向上的投影长度

就等于点到平面的距离

设平面α的一般方程

以及平面外一点P0的坐标

如何计算点P0到平面α的距离

平面α的法向量为(A,B,C)

进而有单位法向量为n

设平面α内任意一点P(x,y,z)

向量P0 P=(x-x0,y-y0,z-z0)

因此 L=|P0 P·n|

代入计算 化简可得

点到平面的距离公式

试与点到直线的距离公式比较

给定平面α

以及平面外一条直线L

如何定义和计算直线到平面的距离

如果直线L与平面α相交

那么 直线到平面的距离为零

那么 如何判定直线与平面相交

如果直线L与平面α平行

如何定义直线到平面的距离

当直线L与平面α平行时

直线上所有的点到平面的距离都是相等的

因此

将直线上任意一点到平面的距离

就定义为直线到平行平面的距离

这样

直线到平行平面距离的计算

就约化为点到平面的距离的计算

同样 问题是

如何判定直线与一个平面是否平行

考察直线方向与平面法向量的关系

可以发现

直线与平面平行

当且仅当直线方向与平面的法方向垂直

那么 如何判定直线与平面相交

同学 动脑想一想

动手画一画

到学习讨论区 与小伙伴们交流交流吧

给定两个平面α和β

如何定义和计算平面α和β的距离

如果平面α β相交

那么 他们的距离为零

那么 如何判定两个平面相交

如果平面α和β平行

如何定义两个平行平面之间的距离

当两个平面平行时

一个平面上的所有的点

到另一个平面的距离都是相等的

因此

将一个平面上的任意一点

到另一个平面上的距离

就定义为两个平行平面之间的距离

这样

两平行平面之间的距离的计算

也就约化为点到平面距离的计算

同样 问题是

如何判定两个平面是否平行

考察两个平面法向量之间的关系

可以发现 两个平面平行

就等价于两个平面的法向量平行

那么 如何判定两个平面相交

同学 动脑想一想

动手画一画

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

已知平面α和β的方程

试求平面α和β的距离

第一步 判定平行

两平面的法向量相等

因此 两平面平行

第二步 计算距离

在平面α上任取一点P0

则P0的坐标满足平面α的方程

计算可得 P0到平面β的距离

仿照这个例子的计算过程

你可以推导出两平面平行的距离

一般计算公式吗

同学 动脑想一想

动手写一写 到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

本讲 从确定平面的方式出发

推导了平面的点法式方程

以及一般式方程

并利用平面方程

将与平面有关的几何量的计算

约化为形式计算

例如

平面的夹角 点到平面的距离

直线到平面的距离

以及两平面间的距离等

向量除了数量积之外

还有其它形式的乘积

比如 向量积

有关向量的向量积及其应用

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

平面方程及其应用笔记与讨论

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