1.5 直线及其方程

高等数学 A2



周维祺

引入:R2\mathbb R^2上的直线

R3\mathbb R^3上的直线

过点(a,b,c)(a,b,c)及具方向v=(v1,v2,v3)\vec v=(v_1,v_2,v_3)有且只有一条唯一确定的直线LL

几种直线方程

  • 参数方程:{x=a+v1ty=b+v2tz=c+v3t\begin{cases}x=a+v_1t \\ y=b+v_2t \\ z=c+v_3t \end{cases}

  • 标准方程: (xa,yb,zc)=t(v1,v2,v3)(x-a,y-b,z-c)=t(v_1,v_2,v_3)

几种直线方程

  • 一般方程:{Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0\begin{cases}Ax+By+Cz+D=0 \\ A'x+B'y+C'z+D'=0 \end{cases} (思考:为什么)

  • n=(A,B,C)\vec n=(A,B,C), n=(A,B,C)\vec n'=(A',B',C')为法线

  • 此时直线的方向同时垂直于两平面的法线,即c=k(n×n)\vec c=k(\vec n\times\vec n')

练习

  • 已知直线LL过点(0,0,0)(0,0,0),方向(1,1,1)(1,1,1),写出其参数方程和标准方程

  • {2x+yz+1=03xyz3=0\begin{cases}2x+y-z+1=0 \\ 3x-y-z-3=0 \end{cases}写为标准方程

直线与平面的位置关系

位置关系的计算

  • L:{x=a+v1ty=b+v2tz=c+v3tL:\begin{cases}x=a+v_1t \\ y=b+v_2t \\ z=c+v_3t \end{cases}, H:Ax+By+Cz+D=0H:Ax+By+Cz+D=0

  • LL的方程代入HH的方程:
    A(a+v1t)+B(b+v2t)+C(c+v3t)+D=0A(a+v_1t)+B(b+v_2t)+C(c+v_3t)+D=0

  • (Av1+Bv2+Cv3)=nvt=(Aa+Bb+Cc+D)\Rightarrow \underbrace{(Av_1+Bv_2+Cv_3)}_{=\vec n\cdot\vec v}t=-(Aa+Bb+Cc+D)

位置关系的计算

  • (Av1+Bv2+Cv3)=nvt=(Aa+Bb+Cc+D)\underbrace{(Av_1+Bv_2+Cv_3)}_{=\vec n\cdot\vec v}t=-(Aa+Bb+Cc+D)

  • nv0\vec n\cdot\vec v\neq0\Rightarrow有唯一解,相交

  • nv=0,Aa+Bb+Cc+D0\vec n\cdot\vec v=0, Aa+Bb+Cc+D\neq0\Rightarrow 无解,平行

  • nv=0,Aa+Bb+Cc+D=0\vec n\cdot\vec v=0, Aa+Bb+Cc+D=0\Rightarrow 无穷多解,在平面上

直线与平面的夹角

夹角的计算

  • θ\theta是平面法向量n\vec n与直线方向v\vec v的夹角

  • cosθ=nv/(nv)\cos\theta=\vec n\cdot\vec v/(\|\vec n\|\|\vec v\|)

  • 直线与平面的夹角=(π/2)θ=(\pi/2)-\theta

练习

求与三条坐标轴夹角都相等的平面方程

直线间的位置

位置关系的计算

  • v,v\vec v,\vec v'分别是直线L,LL,L'的方向向量

  • 任取LL上的一点MM,和LL'上的一点MM',连接得到一新向量w\vec w

  • L,LL,L'共面v,v,w\Leftrightarrow \vec v,\vec v',\vec w线性相关det(vvw)=0\Leftrightarrow\det\begin{pmatrix}\vec v & \vec v' & \vec w\end{pmatrix}=0

  • 共面时:v=kv\vec v=k\vec v'\Leftrightarrow平行,否则相交,夹角可由内积vv\vec v\cdot\vec v'计算

练习

求与三条坐标轴都共面且夹角都相等的直线方程

小结

  • 直线的参数方程和标准方程:点+方向

  • 直线的一般方程:两平面交线

  • 上述方程的相互转化

  • 直线与平面、直线与直线的位置关系、夹角及其计算