1.4 Уравнения прямой и плоскости в пространстве
Справедливо
следующее утверждение: если в пространстве
дана произвольная декартова прямоугольная
система координат
,
то всякое линейное уравнение с тремя
переменными
и
определяет относительно этой системы
плоскость, уравнение которой имеет вид:
,
(23)
где
не равны нулю одновременно.
Уравнение (23)
называется общим
уравнением плоскости,
причём числа
являются координатами
некоторого вектора
,
который нормален к плоскости.
Уравнение
(24)
эквивалентно
уравнению (23) и определяет плоскость,
проходящую через заданную точку
и перпендикулярную вектору
.
Вектор
мы будем называть нормальным
вектором плоскости.
Уравнение плоскости в отрезках на осях таково:
,
(25)
где
отрезки,
отсекаемые плоскостью соответственно
на осях
.
Уравнение плоскости,
проходящей через точку
,
параллельно двум неколлинеарным векторам
и
,
записывается так:
.
(26)
Уравнение плоскости,
проходящей через точки
и
,
параллельно вектору
,
неколлинеарному вектору
пишется в виде:
.
(27)
Уравнение плоскости,
проходящей через 3 точки, не лежащие на
одной прямой,
записывается так:
.
(28)
Угол между
плоскостями
и
с векторами нормалей
и
определяется по формуле:
.
(29)
Необходимым и достаточным условием совпадения двух плоскостей является пропорциональность всех коэффициентов их общих уравнений, т.е.
.
(30)
Необходимым и
достаточным условием параллельности
двух плоскостей является пропорциональность
коэффициентов при
:
причём
.
(31)
Необходимым и достаточным условием того, что три плоскости
![]()
имеют одну общую точку, является условие
![]()
.
(32)
Необходимым и
достаточным условием перпендикулярности
двух плоскостей является условие
,
т.е.
.
(33)
Расстояние
от точки
до плоскости
в прямоугольной системе координат
находится по формуле:
.
(34)
Если плоскость не
проходит через начало координат и
углы
вектора нормали
,
имеющего начало в начале координат с
осями
,
то нормальное уравнение плоскости имеет
вид:
.
(35)
Чтобы общее
уравнение (23) плоскости привести к
нормальному виду (35), нужно общее уравнение
плоскости умножить на
.
Знак перед дробью выбирается противоположным
знаку
.
Прямая в пространстве
-
линия пересечения 2-х непараллельных
плоскостей, если плоскости заданы общими
уравнениями, то прямая в общем виде
задаётся, как результат пересечения
этих плоскостей, то есть системой
уравнений
(36)
Прямая, проходящая
через точку
,
параллельно вектору
(направляющий вектор прямой), определяется
уравнениями:
,
(37)
или
,
(38)
где (37) – параметрические уравнения прямой, (38) – канонические уравнения.
Если прямая задана
двумя точками
и
,
то канонические уравнения прямой
запишутся в виде:
.
(39)
Необходимое и достаточное условие того, что две прямые

лежат в одной плоскости, записывается в виде:
.
(40)
Условие параллельности двух прямых имеет вид:
.
(41)
Условие перпендикулярности двух прямых:
.
(42)
Углы между двумя прямыми в прямоугольной системе координат определяются соотношениями:
.
(43)
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 1. Составить
уравнение плоскости, проходящей через
три точки
.
Решение. Воспользуемся уравнением плоскости (28), проходящей через три точки:

=
.
Раскрыв определитель по элементам первой строки, получаем уравнение плоскости:
![]()
или
.
Задача 2. Определить
объём тетраэдра, ограниченного
координатными плоскостями и плоскостью
.
Решение.
Пусть
объём
тетраэдра.
,
где
площадь
основания,
высота.
В основании
тетраэдра лежит прямоугольный треугольник,
катеты которого есть отрезки, отсекаемые
плоскостью
на осях
и
.
Высота
тетраэдра, опущенная на основание, есть
отрезок, отсекаемый плоскостью на оси
.
Поэтому, чтобы найти объём тетраэдра,
нужно записать уравнение плоскости
в виде
,
где
отрезки,
отсекаемые этой плоскостью на осях
соответственно.
Разделив обе части
на 18, получим
.
Итак,
.
(ед3).
Задача 3. Составить
уравнение плоскости, проходящей через
две точки
и
и параллельной вектору
.
Решение.
Векторы
и
неколлинеарны, так как их координаты
не пропорциональны.
.
.
Следовательно,
можно воспользоваться уравнением (27).
Подставив вместо
и
координаты точек
и вектора
соответственно, получим:
.
Таким образом, получили уравнение:
.
Разделим обе части
полученного уравнения на
и приведём подобные, окончательно
получаем:
.
Задача 4. Даны две
точки
.
Составить уравнение плоскости, проходящей
через точку
и перпендикулярной к прямой
.
Решение. Уравнение плоскости будем искать по формуле (24).
Вектор
перпендикулярен искомой плоскости, так
как прямая
перпендикулярна плоскости.
.
Следовательно,
.
Вместо
подставим координаты точки
.
,
.
уравнение
искомой плоскости.
Задача 5. Определить
расстояние от точки
до плоскости
.
Решение.
Запишем уравнение плоскости в нормальном
виде. Выпишем нормирующий множитель
.
В нашем случае
.
Следовательно,
.
Так как свободный
член в уравнении плоскости
положительный, то обе части уравнения
умножим на
:
.
Пусть
расстояние
от точки
до плоскости
.
Тогда
.
Задача 6. Составить
уравнение прямой, проходящей через
точки
,
.
Решение.
В уравнения (38) подставим вместо
и
координаты точек
и
соответственно:
.
Канонические уравнения искомой прямой:
.
Задача 7. Составить параметрические уравнения прямой

Решение. Прямая задана как результат пересечения двух плоскостей. Чтобы записать параметрические уравнения прямой, нужно знать координаты какой-нибудь точки, принадлежащей прямой, и вектор, параллельный прямой, то есть её направляющий вектор.
Точку, принадлежащую
прямой, можно найти, если решить систему
уравнений, задающих прямую. Так как
уравнений два, а неизвестных три, то
одно неизвестное, например
,
нужно определить произвольным образом,
положив его равным какому-либо числу.
Но в данной задаче обе плоскости проходят
через начало координат, то есть через
точку
,
так как их свободные члены равны нулю.
Следовательно, в качестве точки,
принадлежащей прямой, можно взять точку
.
В качестве
направляющего вектора прямой возьмём
вектор
,
где
и
нормальные векторы плоскостей. Здесь
мы воспользовались тем фактом, что
результат векторного произведения двух
ненулевых векторов перпендикулярен
плоскости этих векторов. То есть
и
,
следовательно, вектор
параллелен прямой.
.
Искомые уравнения прямой:

Задача 8. Установить,
лежат ли следующие точки на одной прямой:
,
,
.
Решение.
Напишем канонические уравнения прямой,
проходящей, например, через точки
и
:
,
.
Если три точки
лежат на одной прямой, то координаты
третьей точки должны удовлетворять
полученным уравнениям прямой. Вместо
подставим
соответственно:
.
Следовательно, все три заданные точки лежат на одной прямой.
Задача 9. Найти
точку пересечения прямой
с плоскостью
.
Решение.
Подставим вместо
в уравнение плоскости:
соответственно:
.
Отсюда
.
Найденное значение параметра
,
соответствующее общей точке прямой и
плоскости, подставим в параметрические
уравнения прямой:
.
координаты
точки пересечения.
Задача 10. Составить
уравнение плоскости, проходящей через
точку
и через прямую
.
Решение. Решение данной задачи сводится к написанию уравнения плоскости, проходящей через две заданные точки, параллельно некоторому вектору.
Так как прямая
принадлежит плоскости, то точка
,
через которую проходит эта прямая, также
принадлежит плоскости. Направляющий
вектор прямой
параллелен плоскости.
Подставляя координаты точек и вектора в уравнение (27), получим:
;
;
.
Уравнение плоскости:
.
