Плоскость в пространстве: основные формы уравнений и их геометрический смысл

Плоскость можно задать точкой \(M_0(r_0)\) и двумя неколлинеарными направляющими векторами \(a,b\): \[ r=r_0+ua+vb. \] Это параметрическая форма. Эквивалентно условие компланарности записывается как \((r-r_0,a,b)=0\), то есть через смешанное произведение.1, 2

Если \(n\ne0\) — нормаль к плоскости, её уравнение через нормаль имеет вид \((r-r_0,n)=0\). В прямоугольных декартовых координатах при \(n=(A,B,C)\) она записывается как \(Ax+By+Cz=D\). После нормировки нормали в прямоугольной системе получаем нормальное уравнение \(x\cos\alpha+y\cos\beta+z\cos\gamma=p\). Если плоскость пересекает все три координатные оси в ненулевых точках, используется форма в отрезках \(x/a+y/b+z/c=1\).1

Что важно запомнить
  • Параметрическая форма: \(r=r_0+ua+vb\), где \(a,b\) неколлинеарны.
  • Детерминантная/смешанная форма: \((r-r_0,a,b)=0\).
  • Нормальная форма: \((r-r_0,n)=0\).
  • Общее уравнение: \(Ax+By+Cz=D\), \(n=(A,B,C)\).
  • Нормированная форма использует единичную нормаль.
  • Форма в отрезках: \(x/a+y/b+z/c=1\), если все три отрезка на осях конечны и ненулевые.

Параметрическое представление

Пусть \(M_0\) — точка плоскости, а \(a,b\) — два неколлинеарных вектора, лежащих в ней. Тогда каждая точка плоскости имеет радиус-вектор

\[r=r_0+ua+vb,\qquad u,v\in\mathbb R.\]

В координатах это даёт три параметрических уравнения. Два параметра отражают двумерность плоскости.1, 2

Каноническая форма через компланарность

Векторы \(r-r_0\), \(a\) и \(b\) должны быть компланарны. Поэтому

\[(r-r_0,a,b)=0.\]

В правом ортонормированном базисе это равносильно равенству нулю определителя, составленного из их координат.1

Уравнение через нормаль и общее уравнение

Если \(n\ne0\) перпендикулярен плоскости, то

\[(r-r_0,n)=0.\]

В прямоугольных декартовых координатах при \(n=(A,B,C)\) получаем

\[Ax+By+Cz=D.\]

В этой системе коэффициенты \(A,B,C\) являются координатами нормали, а \(D=(r_0,n)\) определяет положение плоскости относительно начала координат. В косоугольных декартовых координатах общее линейное уравнение плоскости сохраняется, но его коэффициенты нельзя без дополнительного метрического пересчёта трактовать как координаты нормали.2

Нормальное уравнение и форма в отрезках

В прямоугольной системе разделим общее уравнение на \(|n|=\sqrt{A^2+B^2+C^2}\) и выберем знак единичной нормали. Тогда

\[x\cos\alpha+y\cos\beta+z\cos\gamma=p,\]

где \(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma\) — направляющие косинусы единичной нормали. При выборе \(p\ge0\) число \(p\) равно расстоянию от начала координат до плоскости. Если \(D\ne0\) и \(A,B,C\ne0\), то

\[\frac{x}{D/A}+\frac{y}{D/B}+\frac{z}{D/C}=1,\]

то есть \(x/a+y/b+z/c=1\), где \(a,b,c\) — отрезки на координатных осях.1

Пример простыми словами

Представим плоскость в виде \(r=(1,0,0)+u(1,0,0)+v(0,1,0)\). Как бы ни менялись \(u\) и \(v\), координата \(z\) остаётся нулевой. Поэтому всё параметрическое описание сворачивается в простое уравнение \(z=0\), а нормаль направлена вдоль оси \(Oz\).

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Корпусов М. О. Консультация 7. Прямая и плоскость в пространстве Кафедра математики физического факультета МГУ. 20 с.
  2. 2 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 175–176; 206–209.