空间直线与平面的向量方程
空间直线与平面的向量方程把位置关系转成方向关系。直线由一个点和非零方向向量确定;平面由一个点和非零法向量确定。法向量与平面内的每个方向垂直,而不只是与图上碰巧画出的某一条线垂直。
点与方向确定直线
设直线经过 ,方向向量 。在直线上前进实数倍 的 ,得到 例如 给出 ;点 对应 ,也在直线上。只有第一个坐标碰巧符合某个 不够,三个坐标必须由同一个 产生。
法向量确定平面
设平面经过 ,法向量 。平面上的点 满足 ,展开为 从一般式 读出的法向量是 ,前提是 。用两条不共线的平面内方向也能确定平面:若它们为 ,则 ;它们的外积 可作法向量。
平行、垂直与交点
将直线 代入平面 ,得到一个关于 的方程: 若 ,它有唯一解,直线与平面相交一点。上例 ,而 给出 。因此 ,即 ;交点为 。代回平面方程,,与求解一致。
若 ,直线方向与平面平行;再代入 :若 ,整条直线在平面内,否则直线与平面平行且不相交。若 与 成非零倍数,直线垂直于平面。两平面的法向量成比例时,两平面平行或重合;两个法向量的内积为零时,两平面垂直。
条件的用法
“两条空间直线方向平行”还不能判定它们重合: 与 的方向同为 ,却是两条不同的平行线。判断重合还须检查其中一条线的一个点是否落在另一条线上。空间中两条方向不平行的线也未必相交,可能是异面直线;例如 与 永远不能取到同一个 坐标。
参考资料
- OpenStax,Calculus Volume 3,§2.5 Equations of Lines and Planes in Space:方向、法向量与空间位置关系。
- 先修:空间直角坐标系与向量坐标、向量的内积;后续:空间中的距离与夹角。