สมการทั่วไปของเส้นตรงบนระนาบ ในอวกาศ

สารบัญ:

สมการทั่วไปของเส้นตรงบนระนาบ ในอวกาศ
สมการทั่วไปของเส้นตรงบนระนาบ ในอวกาศ
Anonim

ในเรขาคณิต หลังจากจุดหนึ่ง เส้นตรงอาจเป็นองค์ประกอบที่ง่ายที่สุด ใช้ในการก่อสร้างตัวเลขที่ซับซ้อนบนเครื่องบินและในพื้นที่สามมิติ ในบทความนี้ เราจะพิจารณาสมการทั่วไปของเส้นตรงและแก้ปัญหาสองสามข้อโดยใช้สมการนี้ เริ่มกันเลย!

เส้นตรงในเรขาคณิต

ตรงข้ามเวกเตอร์ไกด์
ตรงข้ามเวกเตอร์ไกด์

ใครๆ ก็รู้ว่ารูปทรงต่างๆ เช่น สี่เหลี่ยมผืนผ้า สามเหลี่ยม ปริซึม ลูกบาศก์ และอื่นๆ เกิดจากการตัดกันเป็นเส้นตรง เส้นตรงในเรขาคณิตเป็นวัตถุหนึ่งมิติที่ได้มาโดยการถ่ายโอนจุดหนึ่งไปยังเวกเตอร์ที่มีทิศทางเดียวกันหรือตรงกันข้าม เพื่อให้เข้าใจคำจำกัดความนี้มากขึ้น ให้จินตนาการว่ามีจุด P ในช่องว่าง หาเวกเตอร์ u¯ ตามอำเภอใจในช่องว่างนี้ จากนั้นจุด Q ใดๆ ของเส้นสามารถหาได้จากการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ต่อไปนี้:

Q=P + λu¯.

ที่นี่ λ เป็นจำนวนที่บวกหรือลบได้ตามใจชอบ หากเท่าเทียมกันเขียนในรูปของพิกัดด้านบน แล้วเราจะได้สมการเส้นตรงดังนี้

(x, y, z)=(x0, y0, z0) + λ(a, b, c).

ความเสมอภาคนี้เรียกว่าสมการของเส้นตรงในรูปเวกเตอร์ และเวกเตอร์ u¯ เรียกว่าไกด์

สมการทั่วไปของเส้นตรงในระนาบ

นักเรียนทุกคนเขียนได้ไม่ยาก แต่ส่วนใหญ่มักจะเขียนสมการแบบนี้:

y=kx + b.

โดยที่ k และ b เป็นตัวเลขใดๆ หมายเลข b เรียกว่าสมาชิกฟรี พารามิเตอร์ k เท่ากับแทนเจนต์ของมุมที่เกิดจากจุดตัดของเส้นตรงที่มีแกน x

สมการข้างต้นแสดงเทียบกับตัวแปร y ถ้าเรานำเสนอในรูปแบบทั่วไปมากขึ้น เราก็จะได้สัญลักษณ์ต่อไปนี้:

Ax + By + C=0.

มันง่ายที่จะแสดงว่ารูปแบบการเขียนสมการทั่วไปของเส้นตรงบนระนาบนี้แปลงเป็นรูปแบบก่อนหน้าได้อย่างง่ายดาย เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ส่วนซ้ายและขวาควรหารด้วยตัวประกอบ B และแสดง y

เส้นตรงบนเครื่องบิน
เส้นตรงบนเครื่องบิน

รูปด้านบนแสดงเส้นตรงที่ผ่านจุดสองจุด

เส้นในอวกาศ 3 มิติ

มาเรียนกันต่อครับ เราพิจารณาคำถามว่าสมการของเส้นตรงในรูปแบบทั่วไปถูกกำหนดบนระนาบได้อย่างไร หากเราใช้สัญกรณ์ที่ระบุในย่อหน้าก่อนหน้าของบทความสำหรับกรณีเชิงพื้นที่ เราจะได้อะไร? ทุกอย่างเรียบง่าย - ไม่เป็นเส้นตรงอีกต่อไป แต่เป็นระนาบ อันที่จริง นิพจน์ต่อไปนี้อธิบายระนาบที่ขนานกับแกน z:

Ax + By + C=0.

ถ้า C=0 เครื่องบินก็จะผ่านไปผ่านแกน z นี่เป็นคุณสมบัติที่สำคัญ

แล้วจะเป็นเช่นไรกับสมการทั่วไปของเส้นตรงในอวกาศ? เพื่อให้เข้าใจวิธีการถาม คุณต้องจำบางอย่าง เครื่องบินสองลำตัดกันตามเส้นตรงเส้นหนึ่ง สิ่งนี้หมายความว่า? เฉพาะว่าสมการทั่วไปเป็นผลจากการแก้ระบบสมการสองสมการสำหรับระนาบเท่านั้น มาเขียนระบบนี้กันเถอะ:

  • A1x + B1y + C1z + D 1=0;
  • A2x + B2y + C2z + D 2=0.

ระบบนี้เป็นสมการทั่วไปของเส้นตรงในอวกาศ โปรดทราบว่าระนาบต้องไม่ขนานกัน กล่าวคือ เวกเตอร์ปกติของพวกมันจะต้องเอียงในมุมหนึ่งที่สัมพันธ์กัน มิฉะนั้นระบบจะไม่มีทางแก้ไข

ตัดกันเป็นระนาบตรง
ตัดกันเป็นระนาบตรง

ด้านบนเราให้รูปแบบเวกเตอร์ของสมการสำหรับเส้นตรง สะดวกในการใช้เมื่อแก้ระบบนี้ ในการทำเช่นนี้ คุณต้องหาผลคูณเวกเตอร์ของเส้นปกติของระนาบเหล่านี้ก่อน ผลลัพธ์ของการดำเนินการนี้จะเป็นเวกเตอร์ทิศทางของเส้นตรง จากนั้นควรคำนวณจุดใดๆ ที่เป็นของเส้น ในการดำเนินการนี้ คุณต้องตั้งค่าตัวแปรใดๆ ให้เท่ากับค่าหนึ่ง ตัวแปรสองตัวที่เหลือสามารถพบได้โดยการแก้ระบบรีดิวซ์

จะแปลงสมการเวกเตอร์เป็นสมการทั่วไปได้อย่างไร ความแตกต่าง

เส้นตรงในช่องว่าง
เส้นตรงในช่องว่าง

นี่คือปัญหาที่เกิดขึ้นจริงหากคุณต้องการเขียนสมการทั่วไปของเส้นตรงโดยใช้พิกัดที่ทราบของจุดสองจุดให้เราแสดงวิธีแก้ปัญหานี้ด้วยตัวอย่าง ให้ทราบพิกัดของสองจุด:

  • P=(x1, y1);
  • Q=(x2, y2).

สมการในรูปเวกเตอร์นั้นง่ายต่อการเขียน พิกัดเวกเตอร์ทิศทางคือ:

PQ=(x2-x1, y2-y 1).

โปรดทราบว่าไม่มีความแตกต่างหากเราลบพิกัด Q จากพิกัดของจุด P เวกเตอร์จะเปลี่ยนทิศทางของมันไปทางตรงกันข้ามเท่านั้น ตอนนี้คุณควรใช้จุดใดก็ได้แล้วเขียนสมการเวกเตอร์:

(x, y)=(x1, y1) + λ(x2 -x1, y2-y1).

ในการเขียนสมการทั่วไปของเส้นตรง พารามิเตอร์ λ ควรแสดงทั้งสองกรณี แล้วเปรียบเทียบผลลัพธ์ เรามี:

x=x1 + λ(x2-x1)=> λ=(x-x1)/(x2-x1);

y=y1 + λ(y2-y1)=> λ=(y-y1)/(y2-y1)=>

(x-x1)/(x2-x1)=(y-y 1)/(y2-y1).

มันยังคงเป็นเพียงการเปิดวงเล็บและโอนเงื่อนไขทั้งหมดของสมการไปที่ด้านหนึ่งของสมการเพื่อให้ได้นิพจน์ทั่วไปสำหรับเส้นตรงที่ผ่านจุดสองจุดที่รู้จัก

ในกรณีของปัญหาสามมิติ อัลกอริธึมของการแก้ปัญหาจะถูกรักษาไว้ ผลลัพธ์ของมันจะเป็นระบบของสมการสองสมการสำหรับระนาบเท่านั้น

งาน

จำเป็นต้องสร้างสมการทั่วไปเส้นตรงที่ตัดแกน x ที่ (-3, 0) และขนานกับแกน y

มาเริ่มแก้ปัญหาโดยการเขียนสมการในรูปเวกเตอร์กัน เนื่องจากเส้นขนานกับแกน y ดังนั้นเวกเตอร์ทิศทางของเส้นจึงเป็นดังนี้:

u¯=(0, 1).

จากนั้นบรรทัดที่ต้องการจะถูกเขียนดังนี้:

(x, y)=(-3, 0) + λ(0, 1).

ตอนนี้ ให้แปลนิพจน์นี้เป็นรูปแบบทั่วไป สำหรับสิ่งนี้ เราแสดงพารามิเตอร์ λ:

  • x=-3;
  • y=λ.

ดังนั้น ค่าใดๆ ของตัวแปร y จะเป็นของบรรทัด อย่างไรก็ตาม มีเพียงค่าเดียวของตัวแปร x เท่านั้นที่สอดคล้องกับค่านั้น ดังนั้นสมการทั่วไปจะอยู่ในรูปแบบ:

x + 3=0.

ปัญหาเกี่ยวกับเส้นตรงในช่องว่าง

เส้นตรงและระนาบ
เส้นตรงและระนาบ

เป็นที่ทราบกันว่าระนาบที่ตัดกันสองระนาบถูกกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:

  • 2x + y - z=0;
  • x - 2y + 3=0.

จำเป็นต้องหาสมการเวกเตอร์ของเส้นตรงที่ระนาบเหล่านี้ตัดกัน เริ่มกันเลย

ดังที่กล่าวไว้ สมการทั่วไปของเส้นตรงในปริภูมิสามมิติมีอยู่แล้วในรูปของระบบสองที่มีสามนิรนาม ก่อนอื่น เรากำหนดเวกเตอร์ทิศทางที่ระนาบตัดกัน การคูณพิกัดเวกเตอร์ของเส้นตั้งฉากกับระนาบ เราจะได้

u¯=[(2, 1, -1)(1, -2, 0)]=(-2, -1, -5).

เนื่องจากการคูณเวกเตอร์ด้วยจำนวนลบกลับทิศทาง เราจึงเขียนได้ว่า:

u¯=-1(-2, -1, -5)=(2, 1, 5).

ถึงในการหานิพจน์เวกเตอร์สำหรับเส้นตรง นอกจากเวกเตอร์ทิศทางแล้ว เราควรรู้จุดหนึ่งของเส้นตรงนี้ด้วย ค้นหาเนื่องจากพิกัดของมันจะต้องเป็นไปตามระบบสมการในเงื่อนไขของปัญหาแล้วเราจะหามันเจอ ตัวอย่างเช่น ลองใส่ x=0 แล้วเราจะได้

y=z;

y=3/2=1, 5.

ดังนั้น จุดที่เป็นของเส้นตรงที่ต้องการจึงมีพิกัด:

P=(0, 1, 5, 1, 5).

จากนั้นเราก็ได้คำตอบของปัญหานี้ สมการเวกเตอร์ของเส้นที่ต้องการจะออกมาเป็น:

(x, y, z)=(0, 1, 5, 1, 5) + λ(2, 1, 5).

สามารถตรวจสอบความถูกต้องของสารละลายได้ง่าย ในการทำเช่นนี้ คุณต้องเลือกค่าที่กำหนดเองของพารามิเตอร์ λ และแทนที่พิกัดที่ได้รับของจุดเส้นตรงเป็นสมการทั้งสองของระนาบ คุณจะได้ข้อมูลประจำตัวในทั้งสองกรณี