向量代数与空间解析几何

向量相关

方向角

一向量 **r **与 x,y,z 轴正向的夹角 αβγ 称为其方向角,方向角的余弦成为其方向余弦。

r=(x,y,z)

那么有

​ $cos\alpha = \frac{x}{|r|}, cos\beta = \frac{y}{r}, cos\gamma = \frac{z}{r} $

进而有

​ $cos^2\alpha + cos^2\beta + cos^2\gamma = 1 $

投影

将向量 ru 轴上的投影记为:prjur(r)u

设向量 ru 轴正向的夹角为 θ,则:

  • (a)u=|a|cosθ

  • (a + b)u = (a)u + (b)u

向量积

cab的向量积记为 c = a × b.

c 满足:

  • |c| = |a||b|sinθ
  • c$ \perp ac \perp $b,且三者满足右手法则

右手法则:

右手四指指向a ,向b内旋,拇指方向为c的方向

向量积的性质

  • a ×a = 0
  • a b a × b = 0

向量积的运算律

  1. 反交换律b × a = a × b
  2. 分配律:(a + b) × c = a × c + a × c
  3. 结合律:(λa) × b = λ(a × b)

向量积的坐标计算

a × b = |ijkaxayazbxbybz|

计算时可以写为

ayazaxaybybzbxby

交叉相乘可得到三个值,对应 i,j,k 的参数

ay×bzaz×by

az×bxax×bz

ax×byay×bx

平面及其方程

方程

设平面的一个法向量为 n = (A,B,C)

一般方程

Ax+By+Cz+D=0

点法式方程

该平面过点 P0(x0,y0,z0)

则方程为

A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0

截距式方程

设平面与x,y,z 轴的交点为a,b,c

则该方程为

xa+yb+zc=1

平面关系

设有两平面

Π1:A1x+B1y+C1z+D1=0

Π2:A2x+B2y+C2z+D2=0

其法向量为

n1=(A1,B1,C1)

n2=(A2,B2,C2)

则两面的夹角:

cosθ=|n1·n2||n1||n2|

特别的:

Π1Π2A1A2+B1B2+C1C2=0

Π1Π2A1A2=B1B2=C1C2

点面距离

设有平面Π:Ax+By+Cz+D=0,点P0(x0,y0,z0)

则点到平面的距离为

|Ax0+By0+Cz0+D|A2+B2+C2

直线及其方程

方程

一般方程

设直线 L 是平面 A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0的交线

那么可以写为

A1x+B1y+C1z+D1=0

A2x+B2y+C2z+D2=0

对称式方程

设直线的方向向量为s=(m,n,p),且直线过点(x0,y0,z0)

那么对称式方程可以写为

xx0m=yy0n=zz0p

参数式方程

对于对称式方程,设其比值为 t,那么就有

x=x0+mt

y=y0+nt

z=z0+pt

直线关系

线线关系

设有直线:

L1:xx1m1=yy1n1=zz1p1

L2:xx2m2=yy2n2=zz2p2

方向向量分别为:s1s2

设两线夹角为θ,则

cosθ=|s1·s2||s1||s2|

特别的:

L1L2m1m2+n1n2+p1p2=0

L1L2m1m2=n1n2=p1p2

线面关系

设有直线和平面:

L:xx0m=yy0n=zz0p

Π:Ax+By+Cz+D=0

方向向量:s=(n,m,p)

法向量: n=(A,B,C)

设线面夹角为θ,则

sinθ=n·s|n||s|

特别的:

LΠAm=Bn=Cp

LΠAm+Bn+Cp=0

点线距离

点线距离可利用公式 ||AP×d||d|| 计算,其中,A 为线上任一点,d 为直线方向向量。AP×b 求得的是 AP 与 d 构成的平行四边形的面积,除去 **d ** 的模后得到的就是高,即点线距离。

曲面及其方程

旋转曲面的方程

曲线所在坐标面 曲线方程 旋转轴 旋转曲面方程
yoz f(y,z)=0 z f(±x2+y2,z)
yoz f(y,z)=0 y f(y,±x2+z2)
xoz f(x,z)=0 x f(x,±y2+z2)
xoz $f(x,z)=0 $ z f(±x2+y2,z)
xoy f(x,y)=0 x f(x,±y2+z2)
xoy f(x,y)=0 y f(±x2+z2,y)

柱面

一直线 l 沿着曲线 C 平行移动形成的轨迹叫做柱面。其中,l 被称作母线、 C 被称作准线。

对于准线在 xoy 平面, l 平行于 z 轴的曲线,可以表示为:

F(x,y)=0

z=0