6. Расстояние от точки до прямой.
Нормальное уравнение прямой
где p -
длина перпендикуляра (нормали), опущенного
из начала координат на прямую, а 
-
угол наклона этого перпендикуляра к
оси Ox.
Чтобы привести общее уравнение
прямой Ax + By + C =
0 к нормальному виду, нужно все члены
его умножить на нормирующий множитель 
,
взятый со знаком, противоположным знаку
свободного члена C.
Расстояние точки A(x1, y1) до прямой Ax + By + C = 0 есть длина перпендикуляра, опущенного из этой точки на прямую. Она определяется по формуле
Правило. Чтобы определить расстояние точки A(x1, y1) до прямой Ax + By + C = 0, нужно привести уравнение прямой к нормальному виду, взять левую часть полученного уравнения и подставить в нее вместо текущих координат координаты данной точки. Абсолютная величина полученного числа и даст искомое расстояние:
Расстояние от точки до прямой есть всегда величина положительная. Кроме расстояния от точки до прямой, рассматривается еще так называемое отклонение точки от прямой.
Отклонение 
данной
точки от данной прямой есть расстояние
от этой точки до прямой, которому
приписывается знак плюс, если точка и
начало координат находятся по разные
стороны от прямой, и знак минус, если
точка и начало координат находятся по
одну сторону от прямой.
Расстояние от точки до прямой есть абсолютная величина отклонения этой точки от прямой.
7.Угол между прямыми. Условие параллельности и перпендикулярности прямых.
Пусть прямые L1 и L2 заданы общими уравнениями
.
Задача об
определении угла между прямыми сводится
к определению угла между нормальными
векторами 
этих
прямых:
&nbs
p;
(6.6)
Условие параллельности прямых
L1 и L2 эквивалентно коллинеарности
их нормальных векторов 
:
.
Условие перпендикулярности прямых L1 и L2 получаем из формулы (6.6) при
cos
=
0:
.
2). Если прямые L1 и L2 заданы каноническими уравнениями
,
то рассматривая
их направляющие векторы 
,
аналогично случаю 1). имеем:
(6.7)
Условие параллельности прямых L1 и L2 :
.
Условие перпендикулярности прямых L1 и L2 :
3). Пусть прямые
L1 и L2 заданы уравнениями с угловым
коэффициентом 
.
|
|
Здесь |
- углы наклона прямых L1 и L2 к оси
Ox, а 
-
один из углов между этими прямыми. Из
рисунка видно, что 
.Отсюда
.
Т.е. угол между прямыми L1 и L2 определяется по формуле:
(6.8)
Если в этой
формуле поменять местами k1 и k2 ,
то формула определит нам угол между
прямыми, смежный к прежнему углу. Т.к.
эти два угла в сумме равны 
и
их тангенсы отличаются только знаком.
Прямые параллельны,
если tg 
=
0, т.е. k1 = k2 .
Условие перпендикулярности прямых
L1 и L2 получим из формулы (6.8), т.к.
tg
не
существует при k1 k2 + 1 = 0.
Условие перпендикулярности прямых L1 и L2 запишем в виде:
.
8. Уравнения плоскости в пространстве.
Определение. Линейным уравнением относительно переменных x, y, z называется уравнение вида Ax + By + Cz + D = 0, где хотя бы один из коэффициентов А, В, С отличен от нуля.
Теорема. Всякая плоскость в пространстве определяется линейным уравнением
и обратно, всякое линейное уравнение (3) определяет плоскость в пространстве.
Действительно, пусть в пространстве R3 задана плоскость (Р) (рис. 1).
Выбираем на ней
какую-либо точку M0(x0, y0, z0), и в некоторой
точке плоскости (P)построим ненулевой
вектор 
,
перпендикулярный плоскости (P). Для
того, чтобы произвольная точка M(x, y,
z) пространства принадлежала
плоскости (P), необходимо и достаточно,
чтобы 
,
то есть
Уравнение (4) называется векторным уравнением плоскости.
Т.к. 
и 
,
то скалярное произведение в (4) можем
заменить через координаты сомножителей,
а именно:
Уравнение (5) перепишем в виде:
где D = -Ax0 - By0 - Cz0, то есть получим уравнение (3). Это показывает, что любая плоскость может быть описана уравнением (3).
Уравнение (3) называют
общим уравнением плоскости, а уравнение
(5) - уравнением плоскости, проходящей
через заданную точку M0(x0, y0, z0). <p<
p="">class="maintext">Отметим, что
вектор 
называют
нормальным вектором плоскости и в
качестве нормального вектора плоскости
может быть взят любой ненулевой вектор,
перпендикулярный плоскости.</p<>
Легко доказывается и обратное: дано уравнение Ax + By + Cz + D = 0 и нужно убедиться, что оно описывает плоскость в пространстве R3.
Пусть (x0, y0, z0) -
какое-либо решение данного уравнения.
Тогда Ax0 + By0 + Cz0 + D = 0. Отсюда
получаем D = -Ax0 - By0 - Cz0 и,
подставляя в исходное уравнение,
получаем:
Ax + By + Cz -Ax0 - By0 - Cz0 =
0, или
A(x - x0) + B(y- y0) + C(z - z0) = 0. а это
есть уравнение плоскости, проходящей
через точку (x0, y0, z0) и имеющую
нормальный вектор 
.
Следовательно, и равносильное ему уравнение Ax + By + Cz + D = 0 определяет плоскость. Теорема доказана.
Рассмотрим важный частный случай построения уравнения плоскости, когда известны три точки M1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3), принадлежащие плоскости и не лежащие на одной прямой. Возьмем текущую точку M(x, y, z) плоскости и организуем три вектора
Эти векторы лежат в одной плоскости, уравнение которой и определяется. Следовательно, их смешанное произведение равно нулю, то есть
Уравнение (6) и есть уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки M1, M2, M3.
При решении задач часто используется так называемое уравнение плоскости в отрезках на осях. Пусть в общем уравнении плоскости (3) A ≠ 0, B≠ 0, C≠ 0, D≠ 0. Перенесем свободный членD в правую часть и разделим обе части уравнения на - D, тогда получим:
где 
Уравнение (7) и называют уравнением плоскости в отрезках на осях, т.к. числа a, b, c имеют простой геометрический смысл: а - абсцисса точки пересечения плоскости с осью Ох, b - ордината точки пересечения плоскости с осью Оу, с - аппликата точки пересечения плоскости с осью Oz. Действительно, точка пересечения плоскости с осью, скажем, Ох имеет ординату у = 0и аппликату z = 0. Но координаты этой точки (х,0,0) должны удовлетворять уравнению плоскости, т.е.
Отсюда получаем 
Полезно самостоятельно провести исследования общего уравнения плоскости (3), т.е. установить специфику пространственного расположения плоскости в случаях:
Решим теперь задачу о вычислении угла между двумя плоскостями. Угол между двумя плоскостями, точнее, один из двух смежных углов между двумя плоскостями, может быть вычислен как угол между нормальными векторами этих плоскостей. Если плоскости заданы своими общими уравнениями
то их нормальные
векторы имеют вид 
и
потому угол Θ между плоскостями
находим по формуле
Условием параллельности двух плоскостей является условие
а условием перпендикулярности двух плоскостей является условие
