空间解析几何与向量代数同济六版
同济大学高数第六版基本概念及公式总结(土木数学兴趣小组)
四川建院土木1301（数学兴趣小组）目录第一章函数与极限薚……………………………………………………………………第一节函数……………………………………………………………………………….. 第二节数列的极限………………………………………………………………………………….. 第三节函数的极限…………………………………………………………………………………第四节无穷小与无穷大…………………………………………………………………………….. 第五节极限四则运算法则……………………………………………………………………………第六节极限存在准则、两个重要极限………………………………………………………………第七节无穷小的比较…………………………………………………………………………………第八节函数的连续性与间断点………………………………………………………………………第九节连续函数的运算与初等函数的连续性…………………………………………………….. 第十节闭区间上连续函数的性质……………………………………………………………………第二章导数与微分………………………………………………………………………. 第一节导数的概念……………………………………………………………………………………. 第二节函数的求导法则………………………………………………………………………………第三节初等函数的求导问题…………………………………………………………………………. 双曲函数与反双曲函数的导数…………………………………………………………………………第四节高阶导数………………………………………………………………………………………第五节隐函数的导数、由参数方程所确定的函数的导数相关辩化率……………………………第六节函数的微分…………………………………………………………………………………….第三章中值定理与导数的应用…………………………………………………………第一节中值定理………………………………………………………………………………….. 第二节洛必达法则……………………………………………………………………………………第三节泰勒公式………………………………………………………………………………………第四节函数单调性的判定法…………………………………………………………………………第五节函数的极值与最值……………………………………………………………………………第六节曲线的凹凸与拐点……………………………………………………………………………第七节曲率……………………………………………………………………………………………第八节方程的近似解…………………………………………………………………………………第四章不定积分……………………………………………………………………….. 第一节不定积分的概念及其性质………………………………………………………………第二节不定积分的换元积分………………………………………………………………………第三节不定积分的分部积分法…………………………………………………………………….. 第四节几种特殊类型函数的积分……………………………………………………………………第五章定积分…………………………………………………………………………. 第一节定积分概念与性质…………………………………………………………………………第二节微积分基本定理………………………………………………………………………….. 第三节定积分换元积分法与分部积分法……………………………………………………..第四节广义积分……………………………………………………………………………..第六章定积分的应用……………………………………………………………….定积分的元素法……………………………………………………………………………………功水压力和引力…………………………………………………………………………………. 平均值……………………………………………………………………………………………..第七章空间解析几何与向量代数…………………………………………………. 第一节空间直角坐标系…………………………………………………………………………. 第二节向量及其加减法向量与数的乘法………………………………………………………第三节向量的坐标………………………………………………………………………………第四节数量积向量积混合积…………………………………………………………………. 第五节曲面及其方程……………………………………………………………………………第六节空间曲线及其方程………………………………………………………………………. 第七节平面及其方程…………………………………………………………………………….. 第八节空间直线及其方程………………………………………………………………………. 第九节二次曲面…………………………………………………………………………………第八章多元函数微分法及其应用…………………………………………………第一节多元函数的基本概念………………………………………………………………….第二节偏导数………………………………………………………………………………….第三节全微分………………………………………………………………………………….第四节多元复合函数的求导法则……………………………………………………………. 第五节隐函数的求导法则……………………………………………………………………第六节微分法在几何上的应用………………………………………………………………..第七节方向导数与梯度………………………………………………………………………..第八节多元函数的极值及其求法……………………………………………………………….第九章重积分………………………………………………………………………第一节二重积分的概念与性质…………………………………………………………….第二节二重积分的计算…………………………………………………………………………第三节二重积分的应用…………………………………………………………………………第四节三重积分的概念及其计算法……………………………………………………………. 第五节利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分………………………………………………第十章曲线积分与曲面积分………………………………………………………第一节对弧长的曲线积分…………………………………………………………………….第二节对坐标的曲线积分…………………………………………………………………….第三节格林公式及其应用……………………………………………………………………. 第四节对面积的曲面积分……………………………………………………………………. 第五节对坐标的曲面积分……………………………………………………………………. 第六节高斯公式通量与散度………………………………………………………………第七节斯托克斯公式环流量与旋度………………………………………………………第十一章无穷级数………………………………………………………………第一节常数项级数的概念和性质………………………………………………………….. 第二节常数项级数的申敛法…………………………………………………………………. 第三节幂级数…………………………………………………………………………………. 第四节函数展开成幂级数……………………………………………………………………第五节函数的幂级数展开式的应用…………………………………………………………第七节傅里叶级数……………………………………………………………………………. 第八节正弦级数与余弦级数…………………………………………………………………. 第九节周期为2l的周期函数的傅里叶级数………………………………………………...第十二章微分方程……………………………………………………………….. 第一节微分方程的基本概念……………………………………………………………….. 第二节可分离变量的微分方程………………………………………………………………第三节齐次方程……………………………………………………………………………第四节一阶线性微分方程…………………………………………………………………第五节全微分方程……………………………………………………………………………第六节可降阶的高阶微分方程………………………………………………………………第七节高阶线性微分方程……………………………………………………………………第八节二阶常系数齐次线性微分方程………………………………………………….. 第九节二阶常系数非齐次线性微分方程……………………………………………………第十节欧拉方程………………………………………………………………………………第十一节微分方程的幂级数解法……………………………………………………………. 第十二节常系数线性微分方程组解法举例…………………………………………………第一章 函数与极限第一节 函 数教学目的：本节主要是复习高中阶段学过的集合以及函数的概念、性质；介绍邻域、分段函数、复合函数、初等函数的概念。
高等数学-第8章空间解析几何与向量代数
b a b≤+，向量与数的乘法a ，方向与、向量与数量乘法的性质(运算律和方向，所以在数学上我们研究与起点无关的向量，并称这种向量为自由向量（以后简称向量），即只考虑向量的大小和方向，而不论它的起点在什么地方。
当遇到与起点有关的向量时（例如，谈到某一质点的运动速向量A B ''在轴上的投影，记为投影AB 。
向量在轴上的投影性质：性质1（投影定理）=cos AB ϕ与向量AB 的夹角。
)=Prj 1a +Prj 2a 。
性质可推广到有限个向量的情形。
：向量a 在坐标轴上的投影向量向量a 在三条坐标轴上的投影由向量在轴上的投影定义，a 在直角坐标系Oxyz 中的坐标{,,x y z a a a 量的投影具有与坐标相同的性质。
利用向量的坐标，可得向量的加法、减法以及向量与数的乘法的运算如下：利用向量加法的交换律与结合律，以及向量与数乘法的结合律与分配律，有{,x y a a a λλλ=由此可见，对向量进行加、2x a a a =+acos a b cos a b (,)a b =为向量之间的夹角并且0θπ≤≤。
2a =，因此我们可以把a a ∙简记为x y z z 由向量的坐标还可以计算两个向量之间的夹角， cos ab θ所以2cos xa b a ba θ∙==+两个向量垂直的充分必要条件是sin a b θ，它的方向是垂直于。
a b ⨯=sin a b b 为两边的平行四边形的面积。
如果向量a ={,,a a a }，{,}b b =则a b ⨯=..........x y zi j a a b b b 两向量平行的充分必要条件为也就是说两向量共线，其对应坐标成比例。
决；在求向量，特别是求垂直向量问题时常用向量积。
注意向量的平行、垂直关系及角度。
利。
同济第六版《高等数学》优秀教案WORD版-第07章-空间解析几何与向量代数
同济第六版《高等数学》优秀教案WORD版-第07章-空间解析几何与向量代数第七章空间解读几何与向量代数教案目的：1、理解空间直角坐标系，理解向量的概念及其表示。
2、掌握向量的运算（线性运算、数量积、向量积、混合积），掌握两个向量垂直和平行的条件。
3、理解单位向量、方向数与方向余弦、向量的坐标表达式，熟练掌握用坐标表达式进行向量运算的方法。
4、掌握平面方程和直线方程及其求法。
5、会求平面与平面、平面与直线、直线与直线之间的夹角，并会利用平面、直线的相互关系（平行、垂直、相交等）解决有关问题。
6、会求点到直线以及点到平面的距离。
7、理解曲面方程的概念，了解常用二次曲面的方程及其图形，会求以坐标轴为旋转轴的旋转曲面及母线平行于坐标轴的柱面方程。
8、了解空间曲线的参数方程和一般方程。
9、了解空间曲线在坐标平面上的投影，并会求其方程。
教案重点：1、向量的线性运算、数量积、向量积的概念、向量运算及坐标运算；2、两个向量垂直和平行的条件；3、平面方程和直线方程；4、平面与平面、平面与直线、直线与直线之间的相互位置关系的判定条件；5、点到直线以及点到平面的距离；6、常用二次曲面的方程及其图形；7、旋转曲面及母线平行于坐标轴的柱面方程；8、空间曲线的参数方程和一般方程。
教案难点：1、向量积的向量运算及坐标运算；2、平面方程和直线方程及其求法；3、点到直线的距离；4、二次曲面图形；5、旋转曲面的方程；§7. 1 向量及其线性运算一、向量概念向量:在研究力学、物理学以及其他应用科学时,常会遇到这样一类量,它们既有大小,又有方向.例如力、力矩、位移、速度、加速度等,这一类量叫做向量.在数学上,用一条有方向的线段(称为有向线段)来表示向量.有向线段的长度表示向量的大小,有向线段的方向表示向量的方向.向量的符号:以A 为起点、B 为终点的有向线段所表示的向量记作→AB . 向量可用粗体字母表示,也可用上加箭头书写体字母表示,例如,a 、r 、v 、F 或→a 、→r 、→v 、→F .自由向量:由于一切向量的共性是它们都有大小和方向,所以在数学上我们只研究与起点无关的向量,并称这种向量为自由向量,简称向量.因此,如果向量a 和b 的大小相等,且方向相同,则说向量a 和b 是相等的,记为a =b .相等的向量经过平移后可以完全重合. 向量的模:向量的大小叫做向量的模.向量a 、→a 、→AB 的模分别记为|a |、||→a 、||→AB . 单位向量:模等于1的向量叫做单位向量.零向量:模等于0的向量叫做零向量,记作0或→0.零向量的起点与终点重合,它的方向可以看作是任意的.向量的平行:两个非零向量如果它们的方向相同或相反,就称这两个向量平行.向量a 与b 平行,记作a // b .零向量认为是与任何向量都平行.当两个平行向量的起点放在同一点时,它们的终点和公共的起点在一条直线上.因此,两向量平行又称两向量共线.类似还有共面的概念.设有k (k ≥3)个向量,当把它们的起点放在同一点时,如果k 个终点和公共起点在一个平面上,就称这k 个向量共面.二、向量的线性运算1．向量的加法向量的加法:设有两个向量a 与b ,平移向量使b 的起点与a 的终点重合,此时从a 的起点到b 的终点的向量c 称为向量a 与b 的和,记作a +b ,即c =a +b . 三角形法则:上述作出两向量之和的方法叫做向量加法的三角形法则. 平行四边形法则:当向量a 与b 不平行时,平移向量使a 与b 的起点重合, 以a 、b 为邻边作一平行四边形,从公共起点到对角的向量等于向量a 与b 的和a +b .向量的加法的运算规律: (1)交换律a +b =b +a ;(2)结合律(a +b )+c =a +(b +c ).由于向量的加法符合交换律与结合律,故n 个向量a 1,a 2,,a n (n ≥3)相加可写成bacABCABCa 1+a 2++a n ,并按向量相加的三角形法则,可得n 个向量相加的法则如下:使前一向量的终点作为次一向量的起点,相继作向量a 1,a 2,,a n ,再以第一向量的起点为起点,最后一向量的终点为终点作一向量,这个向量即为所求的和. 负向量:设a 为一向量,与a 的模相同而方向相反的向量叫做a 的负向量,记为-a . 向量的减法:我们规定两个向量b 与a 的差为b -a =b +(-a ).即把向量-a 加到向量b 上,便得b 与a 的差b -a . 特别地,当b =a 时,有 a -a =a +(-a )=0.显然,任给向量→AB 及点O ,有→→→→→A O OB OB O A AB -=+=,因此,若把向量a 与b 移到同一起点O ,则从a 的终点A 向b 的终点B 所引向量→AB 便是向量b 与a 的差b -a . 三角不等式:由三角形两边之和大于第三边的原理,有|a +b |≤|a |+|b |及|a -b |≤|a |+|b |,其中等号在b 与a 同向或反向时成立. 2．向量与数的乘法向量与数的乘法的定义:向量a 与实数λ的乘积记作λa ,规定λa 是一个向量,它的模|λa |=|λ||a |,它的方向当λ>0时与a 相同,当λ<0时与a 相反.当λ=0时,|λa |=0,即λa 为零向量,这时它的方向可以是任意的. 特别地,当λ=±1时,有1a =a ,(-1)a =-a .运算规律:(1)结合律λ(μa )=μ(λa )=(λμ)a ； (2)分配律(λ+μ)a =λa +μa ；λ(a +b )=λa +λb .b-a b -abab -a例1.在平行四边形ABCD 中,设?→?AB =a ,?→AD =b .试用a 和b 表示向量?→?MA 、?→?MB 、?→?MC 、?→MD ,其中M 是平行四边形对角线的交点. 解由于平行四边形的对角线互相平分,所以a +b ?→→==AM AC 2,即-(a +b )?→=MA 2, 于是21-=?→MA (a +b ).因为?→→-=MA MC ,所以21=?→MC (a +b ).又因-a +b ?→→==MD BD 2,所以21=?→MD (b -a ).由于?→→?-=MD MB ,所以21=?→MB (a -b ).例1在平行四边形ABCD 中,设→a =AB ,→b =AD .试用a 和b 表示向量→MA 、→MB 、→MC 、→MD ,其中M 是平行四边形对角线的交点.解由于平行四边形的对角线互相平分,所以→→→MA AM AC 22-===+b a ,于是→)(21b a +-=MA ;→→)(21b a +=-=MA MC . 因为→→MD BD 2==+-b a , 所以→)(21a b -=MD ;→21-=MB 向量的单位化:设a ≠0,则向量||a a 是与a 同方向的单位向量,记为e a . 于是a =|a |e a . 向量的单位化:设a ≠0,则向量||a a 是与a 同方向的单位向量,记为e a .于是a = | a | e a .定理1 设向量a ≠0,那么,向量b 平行于a 的充分必要条件是: 存在唯一的实数λ,使b =λa .证明: 条件的充分性是显然的,下面证明条件的必要性.设b //a .取||a b ||||=λ,当b 与a 同向时λ取正值,当b 与a 反向时λ取负值,即b =λa .这是因为此时b 与λaBCD BCD同向,且|λa |=|λ||a ||b ||a a b ==|||||. 再证明数λ的唯一性.设b =λa ,又设b =μa ,两式相减,便得(λ-μ)a =0,即|λ-μ||a |=0. 因|a |≠0,故|λ-μ|=0,即λ=μ.给定一个点及一个单位向量就确定了一条数轴. 设点O 及单位向量i 确定了数轴Ox ,对于轴上任一点P , 对应一个向量→OP , 由→OP //i , 根据定理1, 必有唯一的实数x , 使→OP =x i (实数x 叫做轴上有向线段→OP 的值), 并知→OP 与实数x 一一对应. 于是点P ?向量→OP = x i ?实数x ,从而轴上的点P 与实数x 有一一对应的关系. 据此, 定义实数x 为轴上点P 的坐标. 由此可知, 轴上点P 的坐标为x 的充分必要条件是→OP = x i .三、空间直角坐标系在空间取定一点O 和三个两两垂直的单位向量i 、j 、k , 就确定了三条都以O 为原点的两两垂直的数轴,依次记为x 轴(横轴)、y 轴(纵轴)、z 轴(竖轴),统称为坐标轴.它们构成一个空间直角坐标系,称为Oxyz 坐标系.注: (1)通常三个数轴应具有相同的长度单位;(2)通常把x 轴和y 轴配置在水平面上,而z 轴则是铅垂线; (3)数轴的的正向通常符合右手规则. 坐标面:在空间直角坐标系中, 任意两个坐标轴可以确定一个平面,这种平面称为坐标面. x 轴及y 轴所确定的坐标面叫做xOy 面,另两个坐标面是yOz 面和zOx 面. 卦限:三个坐标面把空间分成八个部分,每一部分叫做卦限,含有三个正半轴的卦限叫做第一卦限,它位于xOy 面的上方.在xOy 面的上方,按逆时针方向排列着第二卦限、第三卦限和第四卦限.在xOy 面的下方,与第一卦限对应的是第五卦限,按逆时针方向还排列着第六卦限、第七卦限和第八卦限.八个卦限分别用字母I 、II 、III 、IV 、V 、VI 、VII 、VIII 表示. 向量的坐标分解式:任给向量r ,对应有点M ,使→r =OM .以OM 为对角线、三条坐标轴为棱作长方体,有→→→→→→→OR OQ OP NM PN OP OM ++=++==r ,设→i x OP =,→j y OQ =,→k z OR =,则→k j i r z y x OM ++==.上式称为向量r 的坐标分解式,x i 、y j 、z k 称为向量r 沿三个坐标轴方向的分向量.显然,给定向量r ,就确定了点M 及→i x OP =,→j y OQ =,→k z OR =三个分向量,进而确定了x 、y 、z 三个有序数。
高等数学第六版同济大学_下册_空间解析几何与向量代数的习题课件-文档资料
d prj M1M2 M1M2 s0
s
3 3
过L1与公垂线的平面法线向量 n s1 s {3,3,0}
平面方程：
(x
1)
y
0,
平面与L
的交
2
点p在公垂线上
(x 1) y 0
x 1
y
3
1
z
4
2
p(1,2,6)
公垂线方程为： x 1 y 2 z 6
1
1 1
测验题
例3
求过点
M 0 (1,1,1)
且与两直线
L1
:
y z
2x x
, 1
L2
:
y z
3x 4 2x 1
都相交的直线
L.
解 将两已知直线方程化为参数方程为
x t1 L1 : y 2t1 ,
z t1 1
x t2 L2 : y 3t2 4
z 2t2 1
设所求直线 L 与 L1, L2 的交点分别为
x 2 4t
L1
：2xx34yyz5
1 ， L2
: y 1 t z 3 2t
都垂直的直
线方程 .
十、求通过三平面：2 x y z 2 0， x 3 y z 1 0和x y z 3 0 的交点，且平 行于平面 x y 2z 0的平面方程 .
十一、在平面x y z 1 0 内，求作一直线，使它通
}.
又已知平面的法向量
n
{1,4,8}.
由题设知
cos n n1 4 n n1
(1 ) 1 5 (4) (1 ) (8)
12 (4)2 (8)2 (1 )2 52 (1 )2
即 2 3 , 由此解得 3 .
同济大学(高等数学)第八章向量代数与解析几何
第五篇 向量代数与空间解析几何第八章 向量代数与空间解析几何解析几何的基本思想是用代数的方法来研究几何的问题，为了把代数运算引入几何中来，最根本的做法就是设法把空间的几何结构有系统的代数化，数量化. 平面解析几何使一元函数微积分有了直观的几何意义，所以为了更好的学习多元函数微积分，空间解析几何的知识就有着非常重要的地位.本章首先给出空间直角坐标系，然后介绍向量的基础知识，以向量为工具讨论空间的平面和直线，最后介绍空间曲面和空间曲线的部分内容.第1节 空间直角坐标系1.1 空间直角坐标系用代数的方法来研究几何的问题，我们需要建立空间的点与有序数组之间的联系，为此我们通过引进空间直角坐标系来实现.1.1.1 空间直角坐标系过定点O ，作三条互相垂直的数轴，这三条数轴分别叫做x 轴(横轴）、y 轴(纵轴)、z 轴(竖轴)，它们都以O 为原点且具有相同的长度单位. 通常把x 轴和y 轴配置在水平面上，而z 轴则是铅垂线；它们的正方向要符合右手规则：右手握住z 轴，当右手的四指从x 轴的正向转过2角度指向y 轴正向时，大拇指的指向就是z 轴的正向，这样就建立了一个空间直角坐标系（图8-1），称为Oxyz 直角坐标系，点O 叫做坐标原点.图8-1在Oxyz 直角坐标系下，数轴Ox ,Oy ,Oz 统称为坐标轴，三条坐标轴中每两条可以确定一个平面，称为坐标面，分别为xOy ，yOz ，zOx ，三个坐标平面将空间分为八个部分，每一部分叫做一个卦限（图8-2），分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ表示.yxzO图8-21.1.2 空间点的直角坐标设M 为空间中的任一点，过点M 分别作垂直于三个坐标轴的三个平面，与x 轴、y 轴和z 轴依次交于A 、B 、C 三点，若这三点在x 轴、y 轴、z 轴上的坐标分别为x ，y ，z ，于是点M 就唯一确定了一个有序数组(, , )x y z ，则称该数组(, , )x y z 为点M 在空间直角坐标系Oxyz 中的坐标，如图8-3．x ，y ，z 分别称为点M 的横坐标、纵坐标和竖坐标．图8-3反之，若任意给定一个有序数组(, , )x y z ，在x 轴、y 轴、z 轴上分别取坐标为x ，y ，z 的三个点A 、B 、C ，过这三个点分别作垂直于三个坐标轴的平面，这三个平面只有一个交点M ，该点就是以有序数组(, , )x y z 为坐标的点，因此空间中的点M 就与有序数组(, , )x y z 之间建立了一一对应的关系．注：A 、B 、C 这三点正好是过M 点作三个坐标轴的垂线的垂足．yxzO yxz A B C(,,)M x y z g1.2 空间中两点之间的距离设两点111(, , )M x y z ，222(, , )N x y z ，则M 与N 之间的距离为212212212)()()(z z y y x x d -+-+-= （8-1-1）事实上，过点M 和N 作垂直于xOy 平面的直线，分别交xOy 平面于点1M 和1N ，则1MM ∥1NN ，显然，点1M 的坐标为11(, , 0)x y ，点1N 的坐标为22(, , 0)x y （如图8-4）．图8-4由平面解析几何的两点间距离公式知，1M 和1N 的距离为：21221211)()(||y y x x N M -+-=．过点M 作平行于xOy 平面的平面，交直线1NN 于2N ，则11M N ∥2MN ，因此2N 的坐标为221(, , )x y z ，且212212112)()(||||y y x x N M MN -+-==，在直角三角形N MN 2中，||||122z z N N -=，所以点M 与N 间的距离为2122122122222)()()(||||z z y y x x N N MN d -+-+-=+=．例1 设(1, 2, 0)A -与(1, 0, 2)B --为空间两点，求A 与B 两点间的距离． 解 由公式（8-1-1）可得，A 与B 两点间的距离为d ==例2 在z 轴上求与点(3, 5, 2)A -和(4, 1, 5)B -等距的点M ．解 由于所求的点M 在z 轴上，因而M 点的坐标可设为(0, 0, )z ，又由于MA MB =，由公式（8-1-1），得222222)5(1)4()2(53z z -++-=--++．从而解得72=z ，即所求的点为2(0, 0, )7M ．习题8-11．讨论空间直角坐标系的八个卦限中的点的坐标的符号． 2．在坐标轴上的点和在坐标平面上的点的坐标各有何特点？ 3．在空间直角坐标系中，画出下列各点：(2, 0, 0)A ；(0, 3, 0)B -；(3, 0, 1)C ；(3, 2, 1)D -． 4．求点(1, 2, 3)-关于各坐标平面对称的点的坐标． 5．求点(1, 2, 3)关于各坐标轴对称的点的坐标． 6．求下列各对点间的距离： (1) (0, 1, 3)A -与(2, 1, 4)B ；(2) (1, 4, 2)C -与D(2, 7, 3)．7．在坐标平面yOz 上求与三点(3, 1, 2)A 、(4, 2, 2)B --和(0, 5, 1)C 等距的点． 8．求点(12, 3, 4)A -与原点、各坐标平面和各坐标轴的距离．9. 证明以()()()A 4,3,1,B 7,1,2,C 5,2,3为顶点的三角形△ABC 是一等腰三角形.第2节 空间向量的代数运算2.1 空间向量的概念在日常生活中，我们经常会遇到一些量，如质量、时间、面积、温度等，它们在取定一个度量单位后，就可以用一个数来表示．这种只有大小没有方向的量，叫做数量（或标量）．但有一些量，如力、位移、速度、电场强度等，仅仅用一个实数是无法将它们确切表示出来，因为它们不仅有大小，而且还有方向，这种既有大小又有方向的量，叫做向量（或矢量）．在数学上，我们用有向线段AB u u u r来表示向量，A 称为向量的起点，B 称为向量的终点，有向线段的长度就表示向量的大小，有向线段的方向就表示向量的方向．通常在印刷时用黑体小写字母a ，b ，c ，…来表示向量，手写时用带箭头的小写字母, ,,a b c r r rL 来记向量.向量的长度称为向量的模，记作a 或AB u u u r，模为1的向量叫做单位向量，模为0的向量叫做零向量，记作0，规定：零向量的方向可以是任意的．本章我们讨论的是自由向量，即只考虑向量的大小和方向，而不考虑向量的起点，因此，我们把大小相等，方向相同的向量叫做相等向量，记作a =b .规定：所有的零向量都相等.与向量a 大小相等，方向相反的向量叫做a 的负向量(或反向量)，记作 a ． 平行于同一直线的一组向量称为平行向量（或共线向量）．平行于同一平面的一组向量，叫做共面向量，零向量与任何共面的向量组共面.2.2 向量的线性运算2.2.1 向量的加法我们在物理学中知道力与位移都是向量，求两个力的合力用的是平行四边形法则，我们可以类似地定义两个向量的加法．定义1 对向量a ，b ，从同一起点A 作有向线段AB u u u r 、AD u u u r分别表示a 与b ，然后以AB u u u r 、AD u u u r为邻边作平行四边形ABCD ，则我们把从起点A 到顶点C 的向量AC u u u r 称为向量a 与b 的和（图8-5），记作a +b ．这种求和方法称为平行四边形法则．图8-5 图8-6若将向量b 平移，使其起点与向量a 的终点重合，则以a 的起点为起点，b 的终点为终abc =a +babA点的向量c 就是a 与b 的和(图8-6），该法则称为三角形法则．多个向量，如a 、b 、c 、d 首尾相接，则从第一个向量的起点到最后一个向量的终点的向量就是它们的和a +b +c +d （图8-7）．图8-7对于任意向量a ，b ，c ，满足以下运算法则： (1) a +b =b +a (交换律)．(2) ()()a +b +c =a +b +c (结合律)． (3) 0a +=a ．2.2.2 向量的减法定义2 向量a 与b 的负向量-b 的和，称为向量a 与b 的差，即()--a b =a +b ．特别地，当b =a 时，有()-0a +a =.由向量减法的定义，我们从同一起点O 作有向线段OA u u u r ，OB u u u r分别表示a ，b ，则()OA OB OA OB --=+-u u u r u u u r u u u r u u u ra b =OA BO BA =+=u u u r u u u r u u u r ．也就是说，若向量a 与b 的起点放在一起，则a ，b 的差向量就是以b 的终点为起点，以a 的终点为终点的向量（图8-8）．图8-82.2.3数乘向量定义3 实数λ与向量a 的乘积是一个向量，记作λa ，λa 的模是λa ，方向：当0λ>时，λa 与a 同向；当0λ<时，λa 与a 反向；当0λ=时，λ0a =．aabb-a bBACabcda +b+c +d对于任意向量a ，b 以及任意实数λ，μ，有运算法则： (1) ()()λμλμa =a ． (2) ()+λμλμ+a =a a ．(3) ()+λλλ+a b =a b ．向量的加法、减法及数乘向量运算统称为向量的线性运算，λμa +b 称为a ，b 的一个线性组合(, )R λμ∈．特别地，与❒a 同方向的单位向量叫做❒a 的单位向量，记做a ，即aa e a ρρρ=.上式表明：一个非零向量除以它的模的结果是一个与原向量同方向的单位向量.例1 如图8-9，在平行六面体///ABCD B C D /—A 中，设/=AA u u u u r ,a AD =u u u r b AB =u u u r c ,试用,,a b c 来表示对角线向量//,.AC A C u u u u r u u u u r图8-9解 ''AC AB BC CC =++u u u u r u u u u r u u u r u u u r 'AB BC AA =++u u u r u u u r u u u r a b c =++；'''AC A A AB BC AA AB AD =++=-++u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r a b c =++.由于向量λa 与a 平行，所以我们通常用数与向量的乘积来说明两个向量的平行关系.即有,定理1 向量a 与非零向量b 平行的充分必要条件是存在一个实数λ，使得λa =b .2.3 向量的坐标表示2.3.1向量在坐标轴上的投影设A 为空间中一点，过点A 作轴u 的垂线，垂足为'A ，则'A 称为点A 在轴u 上的投影(图8-10)．图8-10若M 为空间直角坐标系中的一点，则M 在x 轴、y 轴、z 轴上的投影为A 、B 、C ，如图8-11所示．图8-11设向量AB u u u r的始点与终点B 在轴u 的投影分别为A '、B '，那么轴u 上的有向线段uuuu r A B ''的值A B ''叫做向量AB u u u r 在轴u 上的投影，记作u u u ru prj AB A B ''=，轴u 称为投影轴.图8-12当uuuu rA B ''与轴u 同向时，投影取正号，当A B ''u u u u r 与轴u 反向时，投影取负号．注 (1) 向量在轴上投影是标量．(2) 设MN u u u u r为空间直角坐标系中的一个向量，点M 的坐标为111(, , )x y z ，点N 的坐标为222(, , )x y z ，显然，向量MN u u u u r在三个坐标轴上的投影分别为12x x -，12y y -，12z z -．2.3.2向量的坐标表示yxzOA B CM取空间直角坐标系Oxyz ，在x 轴、y 轴、z 轴上各取一个与坐标轴同向的单位向量，依次记作, , i j k ，它们称为坐标向量．空间中任一向量a ，它都可以唯一地表示为, , i j k 数乘之和．事实上，设MN u u u u ra =，过M 、N 作坐标轴的投影，如图8-13所示．MN =MA+AP +PN =MA+MB +MC u u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r u u u u r a =．由于MA u u u r 与i 平行，MB u u u r与j 平行，MC u u u u r 与k 平行，所以，存在唯一的实数, , x y z ，使得MA x =u u u r i ，MB y =u u u rj ，MC z =u u u u r k ，即x y z a =i +j +k ． (8-2-1)图 8-13我们把(8-2-1)式中, , i j k 系数组成的有序数组(, , )x y z 叫做向量a 的直角坐标，记为{, , }x y z a =，向量的坐标确定了，向量也就确定了．显然，(8-2-1)中的, , x y z 是向量a 分别在x 轴、y 轴、z 轴上的投影．因此，在空间直角坐标系中的向量a 的坐标就是该向量在三个坐标轴上的投影组成的有序数组．例2 在空间直角坐标系中设点(3, 1, 5)M -，(2, 3, 1)N -，求向量MN u u u u r 及NM u u u u r的直角坐标．解 由于向量的坐标即为向量在坐标轴上的投影组成的有序数组，而向量的各投影即为终点坐标与起点坐标对应分量的差．所以向量MN u u u u r 的坐标为{5, 4, 4}--，向量NM u u u u r的坐标为{5, 4, 4}-．例3(定比分点公式) 设111(,,)A x y z 和222(,,)B x y z 为两已知点，有向线段AB u u u r 上的点M 将它分为两条有向线段AM u u u u r和MB u u u r ，使它们的值的比等于数(1)λλ≠-，即AMMBλ=，求分点(,,)M x y z 的坐标.图8-14解 如图8-14，因为AM u u u u r 与MB u u u r 在同一直线上，且同方向，故AM MB λ=⋅u u u u r u u u r，而122{,,}AM x x y y z z =---u u u u r， 222{,,}MB x x y y z z =---u u u r222{(),(),()}MB x x y y z z λλλλ=---u u u r所以 12()x x x x λ-=-，12()y y y y λ-=-，12()z z z z λ-=- 解得121212,,.111x x y y z z x y z λλλλλλ+⋅+⋅+⋅===+++当λ=1, 点M 的有向线段→AB x 2.3.3设空间向量12a M M =u u u u u ur r 分别为,,αβγ，规定： 0,0απ≤≤称,,αβγ为向量❒a 的方向角因为向量❒a 12cos cos x a M M a αα=⋅=⋅u u u u u u r r12cos cos y a M M a ββ=⋅=⋅u u u u u u r r(8-2-2)12cos cos z a M M a γγ=⋅=⋅u u u u u u r r公式(8.2.2)中出现的cos ,cos ,cos αβγ称为向量❒a 的方向余弦.而{,,}{cos ,cos ,cos }x y z a a a a a a a αβγ==⋅⋅⋅v v v v{cos ,cos ,cos }a a a e αβγ=⋅=⋅r r u u r{cos ,cos ,cos }a e αβγ=u u r 是与向量❒a 同方向的单位向量.而❒a =M M =12u u u u u ur,,x y z M P a M Q a M R a ===111，故向量a r 的模为a =r(8-2-3)从而向量a r的方向余弦为cos a αβγ===(8-2-4)并且 222cos cos cos 1αβγ++=.例4已知两点1M 和()21,3,0M ,求向量12M M u u u u u u r的模、方向余弦和方向角.解12(12,32,0(1,1,M M =--=-u u u u u u r2)2(1)1(222=-++-=；11cos ,cos ,cos 222αβγ=-==-；23,,334πππαβγ===. 例5 已知两点(4,0,5)A 和(7,1,3)B ，求与AB u u u r同方向的单位向量e r .解 因为{74,10,35}{3,1,2},u u u rAB =---=-所以AB ==u u u r于是}.e =r2.4 向量的数量积在物理中我们知道，一质点在恒力F 的作用下，由A 点沿直线移到B 点，若力F 与位移向量AB u u u r的夹角为θ，则力F 所作的功为||||cos W F AB θ=⋅⋅u u u r．类似的情况在其他问题中也经常遇到．由此，我们引入两向量的数量积的概念． 定义1 设a ，b 为空间中的两个向量，则数cos ,a b a b叫做向量a 与b 的数量积(也称内积或点积)，记作⋅a b ，读作“a 点乘b ”．即cos ,⋅a b =a b a b （8-2-5）其中,a b 表示向量a 与b 的夹角，并且规定0, π≤≤a b ．两向量的数量积是一个数量而不是向量，特别地当两向量中一个为零向量时，就有0⋅a b =.由向量数量积的定义易知：(1) 2⋅a a =a ，因此=a(2) 对于两个非零向量a ，b ，a 与b 垂直的充要条件是它们的数量积为零，即⊥a b ⇔0⋅a b =．注 数量积在解决有关长度、角度、垂直等度量问题上起着重要作用． 数量积的运算满足如下运算性质： 对于任意向量a ，b 及任意实数λ，有 (1) 交换律：⋅⋅a b =b a ．(2) 分配律：()⋅⋅⋅a b +c =a b +a c ． (3) 与数乘结合律：()()()λλλ⋅⋅=⋅a b =a b a b ．(4) 0⋅≥a a 当且仅当0a =时，等号成立．例6 对坐标向量i ，j ，k ，求⋅i i ，⋅j j ，⋅k k ，⋅i j ，⋅j k ，⋅k i ． 解 由坐标向量的特点及向量内积的定义得1⋅⋅⋅i i =j j =k k =， 0⋅⋅⋅i j =j k =k i =．例7 已知2=a ，3=b ，2, 3π=a b ，求a b ⋅，(2)()-+a b a b ⋅，+a b ． 解 由两向量的数量积定义有2cos , 23cos 3π⋅=⨯⨯a b =a b a b 123()=32=⨯⨯--．(2)()=22-⋅+⋅⋅-⋅-⋅a b a b a a +a b b a b b22=2-⋅-a a b b 222(3)23=11=---⨯-．2()()+=⋅+a b a +b a b =⋅⋅+⋅+⋅a a +a b b a b b222=+⋅+a a b b2222(3)3=7=+⨯-+，因此+=a b在空间直角坐标系下，设向量111{,,}x y z a =，向量222{,,}x y z b =，即111x y z ++a =i j k , 222x y z ++b =i j k ．则111222()()x y z x y z ⋅++⋅++a b =i j k i j k121212()()+()x x x y x z ⋅+⋅⋅=i i i j i k 121212()()+()y x y y y z ⋅+⋅⋅+j i j j j k 121212()()+()z x z y z z ⋅+⋅⋅+k i k j k k ．由于1⋅⋅⋅i i =j j =k k =， 0⋅⋅⋅i j =j k =k i =，所以121212x x y y z z ⋅++a b =． (8-2-6)也就是说，在直角坐标系下，两向量的数量积等于它们对应坐标分量的乘积之和．同样，利用向量的直角坐标也可以求出向量的模、两向量的夹角公式以及两向量垂直的充要条件，即设非零向量111{,,}x y z a =，向量222{,,}x y z b =，则==a (8-2-7)cos ||||⋅=a ba,b a b=． (8-2-8)⊥a b ⇔1212120x x y y z z ++=． (8-2-9)例8 在空间直角坐标系中，设三点(5, 4, 1)A -，(3, 2, 1)B ，(2, 5, 0)C -．证明:ABC ∆是直角三角形．证明 由题意可知{2, 6, 0}AB =-u u u r ，={3, 1, 1}AC ---u u u r，则(2)(3)6(1)0(1)0AB AC ⋅=-⨯-+⨯-+⨯-=u u u r u u u r，所以AB AC ⊥u u u r u u u r ．即ABC ∆是直角三角形．2.5向量的向量积在物理学中我们知道，要表示一外力对物体的转动所产生的影响，我们用力矩的概念来描述．设一杠杆的一端O 固定，力F 作用于杠杆上的点A 处，F 与OA u u u r的夹角为θ，则杠杆在F 的作用下绕O 点转动，这时，可用力矩M 来描述．力F 对O 的力矩M 是个向量，M 的大小为||||||sin OA OA =u u u r u u u rM F ,F ．M 的方向与OA u u u r 及F 都垂直，且OA u u u r，F ，M 成右手系，如图8-16所示．图8-162.5.1向量积的定义在实际生活中，我们会经常遇到象这样由两个向量所决定的另一个向量，由此，我们引入两向量的向量积的概念．定义2 设a ，b 为空间中的两个向量，若由a ，b 所决定的向量c ，其模为sin , c =a b a b ． (8-2-10)其方向与a ，b 均垂直且a ，b ，c 成右手系（如图8-17），则向量c 叫做向量a 与b 的向量积(也称外积或叉积)．记作⨯a b ，读作“a 叉乘b ”．注 (1) 两向量a 与b 的向量积⨯a b 是一个向量，其模⨯a b 的几何意义是以a ，b 为邻边的平行四边形的面积． (2)⨯0a a =这是因为夹角θ=0，所以⨯0a a = 图8-17(3)对两个非零向量a 与b ，a 与b 平行(即平行)的充要条件是它们的向量积为零向量．a ∥b ⇔⨯0a b =．向量积的运算满足如下性质：对任意向量a ，b 及任意实数λ，有 (1) 反交换律：⨯-⨯a b =b a ．(2) 分配律: ()⨯⨯⨯a b +c =a b +a c ，()⨯⨯⨯a +b c =a c +b c ．(3) 与数乘的结合律：()()()λλλ⨯⨯⨯a b =a b =a b ．例9 对坐标向量i ，j ，k ，求⨯i i ，⨯j j ，⨯k k ，⨯i j ，⨯j k ，⨯k i ． 解 ⨯⨯⨯0i i =j j =k k =．⨯i j =k ，⨯j k =i ，⨯k i =j ．2.5.2向量积的直角坐标运算在空间直角坐标系下，设向量111{, , }x y z a =，向量222{, , }x y z b =，即111x y z ++a =i j k ，222x y z ++b =i j k ，因为⨯⨯⨯0i i =j j =k k =． ⨯i j =k ，⨯j k =i ，⨯k i =j ， ⨯-j i =k ，⨯-k j =i ，⨯-i k =j ．则111222()()x y z x y z ⨯++⨯++a b =i j k i j k121212()()+()x x x y x z ⨯+⨯⨯=i i i j i k 121212()()+()y x y y y z ⨯+⨯⨯+j i j j j k 121212()()+()z x z y z z ⨯+⨯⨯+k i k j k k121212121212()()+()()()()x y y x y z z y x z z x -⨯-⨯--⨯=i j j k k i 121212121212()()+()y z z y x z z x x y y x ----=i j k ．为了便于记忆，借助于线性代数中的二阶行列式及三阶行列式有111111222222y z x z x y y z x z x y ⨯-a b =i j +k 111222x y z x y z =i j k ． 注 设两个非零向量111{, , }x y z a =，222{, , }x y z b =，则a ∥b ⇔⨯0a b =，⇔212121z z y y x x ==． 若某个分母为零，则规定相应的分子为零．例10 设向量{1,2,1}--a =，{2,0,1}b =，求⨯a b 的坐标．解 2111121210121221----⨯--=-ij k a b =i j +k 234=--i j +k ．因此⨯a b 的直角坐标为{2, 3, 4}--．例11 在空间直角坐标系中，设向量{3, 0, 2}a =，{1, 1, 1}--b =，求同时垂直于向量a 与b 的单位向量．解 设向量⨯c =a b ，则c 同时与a ，b 垂直．而32111⨯--ij kc =a b =23=-+i j +k ，所以向量c 的坐标为{2, 1, 3}-．再将c 单位化，得02,1,3}={=-c ，即{与-- 为所求的向量． 例12 在空间直角坐标系中，设点(4, 1, 2)A -，(1, 2, 2)B -，(2, 0, 1)C ，求ABC ∆的面积．解 由两向量积的模的几何意义知：以AB u u u r、AC u u u r 为邻边的平行四边形的面积为AB AC ⨯u u u r u u u r，由于{3, 3, 4}AB =--u u u r ，{2, 1, 1}AC =--u u u r，因此33453211AB AC ⨯=--=++--u u u r u u u ri j ki j k ，所以AB AC ⨯==u u u r u u u r故ABC ∆的面积为235=∆ABC S ．2.6向量的混合积定义3 给定空间三个向量,,a b c r r r，如果先作前两个向量a r 与b r 的向量积，再作所得的向量与第三个向量c r 的数量积，最后得到的这个数叫做三向量,,a b c r r r的混合积，记做()a b c ⨯⋅r r r 或abc ⎡⎤⎣⎦r r r . 说明：三个不共面向量,,a b c r r r 的混合积的绝对值等于以,,a b c r r r为棱的平行六面体的体积V .定理 如果111a X i Y j Z k =++r r r r ，222b X i Y j Z k =++r r r r ，333c X i Y j Z k =++r r r r， 那么 111222333.X Y Z abc X Y Z X Y Z ⎡⎤=⎣⎦r r r习题8-2 1.,,,,,().ABCD AB AD AC DB MA M ==u u u r u u u r u u u r u u u r u u u r设为一平行四边形试用表示为平行四边形对角线的交点a b.a b12.,().2M AB O OM OA OB =+u u u r u u u u r u u u r u u u r设为线段的中点,为空间中的任意一点证明2223.?(1)()();(2)();(3)()().==⨯=⨯g g g g g g 对于任意三个向量与判断下列各式是否成立a,b c,a b c b c a a b a b a b c c a b4.:(1);(2)(3).利用向量证明三角形的余弦定理正弦定理；勾股定理5.设,,a b c r r r为单位向量,且满足0a b c ++=r r r r ,求.a b b c c a ++r r r r r r gg g 6.1(3,2,2),(1,3,2),(8,6,2),322a b c a b +c.求=-==--7.已知三点(3,0,2),A B AB ==u u u r求的坐标、模、方向余弦和方向角.8.一向量的终点在点B(2,-1,7),它在x 轴、y 轴和z 轴上的投影依次为4，-4和7.求这向量的起点A 的坐标.9．设2=a ，4=b ，3πa,b =，求⋅a b ，(2)-⋅a b b ，-a b ． 10．设向量a ，b ，c 两两垂直，且1=a ，2=b ，3=c ，求向量d =a +b +c 的模及d,a ．11．在空间直角坐标系中，已知{1,2,3}-a = ，{2,2,1}-b = ，求： (1) ⋅a b ；(2) 25⋅a b ；(3) a ；(4) cos a,b ．12.已知向量2332和,,a i j k b i j k c i j =-+=-+=-，计算（1）gg ()();a b c a c b -（2）()();a b b c +⨯+（3）()a b c ⨯g . 13．设向量a ，b 的直角坐标分别为{1, 3, 2}--和{2, 4, }k -，若a b ⊥，求k 的值．14．设向量{2, 1, 1}-a =，{1, 3, 0}-b =，求以、a b 为邻边构造的平行四边形面积． 15．求同时垂直于向量{3, 2, 4}-a =和纵轴的单位向量．16．已知三角形三个顶点(4, 1, 2)A -，(3, 0, 1)B -，(5, 1, 2)C ，求ABC ∆的面积．第3节 空间中的平面与直线方程在本节我们以向量为工具，在空间直角坐标系中讨论最简单的曲面和曲线——平面和直线.3.1平面及其方程首先利用向量的概念，在空间直角坐标系中建立平面的方程，下面我们将给出几种由不同条件所确定的平面的方程．3.1.1平面的点法式方程若一个非零向量n 垂直于平面π，则称向量n 为平面π的一个法向量．显然，若n 是平面π的一个法向量，则λn (λ为任意非零实数)都是π的法向量，即平面上的任一向量均与该平面的法向量垂直．由立体几何知识知道，过一个定点0000(, , )M x y z 且垂直于一个非零向量{, , }A B C n =有且只有一个平面π．设(, , )M x y z 为平面π上的任一点，由于π⊥n ，因此0M M ⊥u u u u u u rn ．由两向量垂直的充要条件，得00M M =⋅u u u u u u rn ,而0000{, , }M M x x y y z z =---u u u u u u r，{, , }A B C n =，所以可得0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A ． (8-3-1)由于平面π上任意一点(, , )M x y z 都满足方程(8-3-1)，而不在平面π上的点都不满足方程(8-3-1)，因此方程(8-3-1)就是平面π的方程．由于方程(8-3-1)是给定点0000(, , )M x y z 和法向量{, , }A B C n =所确定的，因而称式(8-3-1)叫做平面π的点法式方程．图8-18例1 求通过点0(1, 2, 4)M -且垂直于向量{3, 2, 1}-n =的平面方程．解 由于{3, 2, 1}-n =为所求平面的一个法向量，平面又过点0(1, 2, 4)M -，所以，由平面的点法式方程(6-14)可得所求平面的方程为3(1)2(2)1(4)=0x y z --⋅++⋅-，整理，得32110x y z -+-=．例2 求过三点()12,1,4M -，()2M 1,3,2--，()3M 0,2,3 的平面π的方程．解 所求平面π的法向量必定同时垂直于12u u u u u u r M M 与13u u u u u u r M M ．因此可取12u u u u u u r M M 与13u u u u u u r M M 的向量积1213u u u u u u r u u u u u u rM M M M ⨯为该平面的一个法向量n ．即1213n =u u u u u u r u u u u u u r M M M M ⨯．由于12{3, 4, 6}u u u u u u r M M =--，13{2, 3, 1}u u u u u u rM M =--，因此1213-631i jkn =u u u u u u r u u u u u u rM M M M =342⨯---149i j k,=+-,因此所求平面π的方程为0419214=--++-)()()(z y x ，化简得.015914=--+z y x一般地，过三点(,,)(1,2,3)k k k k M x y z k =的平面方程为1112121213131310x x y y z z x x y y z z x x y y z z ------=--- 称为平面的三点式方程。
空间解析几何与向量代数同济六版_2022年学习资料
【例1】如果四边形对角线互相平分，-则它是口-解：如图M为四边形ABCD对角线的交点，则-AB 41+b,-DC =a,+B,-由已知41=a2,b=b2-所以-AB=DC-所以ABCD为平 四边形-甘录上贞下贞返▣结束
三、空间直角坐标系-1.空间直角坐标系（右手系-竖轴-²坐标原点-²坐标轴-V-0z面-坐标面 0x面-²卦限（八个）-I-纵轴-横轴-甘录上页下贞返回结束
3.平行向量对应坐标成比例：-当a≠0时，-b//a→b=2d-→bx,b,b=九ax,4,4 -【例2】Ps例2-录上贞下贞返回结束
【例3】已知两点Ax1,y,乙，Bx2,y2,还2及实数入≠-1-在直线AB上求一点M,使AM 人MB-解：设M的坐标为x,y,乙，如图所示-AM-OM-OA-MB =OB-OM-由已知AM 2MB-→OM-OA=2OB-OM-0N=1+克0A+20B-x,y3=1+x+xy+2y3+ ,-甘录-贞返回结束
3.性质-a.B -allbl-cos0-1a.aa2-2a.b=0→aLb-4.i,,飞两两 间的数量积-【例5】Ps例1-5.运算规律见P14-15-日录}-贞返回结束
2.向量的坐标表示-i,j,k分别表示坐标轴x,y,z上的单位向量-1设点Mx,y,z,则-O -ON +NM =0A+0B+OC-=xi+yj+3k-记为-X-目录上下.设d=ax,a,42,b=b,b,b,入为实数，则-a±b= .±b,a,±b,42±b-2a=2ax,九ay,a-）-2.己知两点Ax1,y,1,Bx2, 2,乙2则-AB=OB-OA=x2,Jy2,32-x1,y1,31）-=x2-x1,y2-y1 32-31）-甘录上-八贞返回结束
(完整版)第八章向量代数及空间解析几何教学案(同济大学版高数)
第八章向量代数与空间解析几何第一节向量及其线性运算教学目的：将学生的思维由平面引导到空间，使学生明确学习空间解析几何的意义和目的。
使学生对（自由）向量有初步了解，为后继内容的学习打下基础。
教学重点：1.空间直角坐标系的概念2.空间两点间的距离公式3.向量的概念4.向量的运算教学难点：1.空间思想的建立2.向量平行与垂直的关系教学内容：一、向量的概念1．向量：既有大小，又有方向的量。
在数学上用有向线段来表示向量，其长度表示向量的大小，其方向表示向量的方向。
在数学上只研究与起点无关的自由向量（以后简称向量）。
2．量的表示方法有: a、i、F、OM等等。
a=：如果两个向量大小相等，方向相同，则说（即经过平移后能完全3．向量相等b重合的向量）。
4．量的模：向量的大小，记为a。
模为1的向量叫单位向量、模为零的向量叫零向量。
零向量的方向是任意的。
a//：两个非零向量如果它们的方向相同或相反。
零向量与如何向量都平5．量平行b行。
-6．负向量：大小相等但方向相反的向量，记为a二、向量的线性运算1．加减法c b a =+： 加法运算规律：平行四边形法则（有时也称三角形法则），其满足的运算规律有交换率和结合率见图7－42．c b a =- 即c b a =-+)(3．向量与数的乘法a λ：设λ是一个数，向量a 与λ的乘积a λ规定为0)1(>λ时，a λ与a 同向，||||a a λλ= 0)2(=λ时，0a =λ0)3(<λ时，a λ与a 反向，||||||a a λλ=其满足的运算规律有：结合率、分配率。
设0a 表示与非零向量a 同方向的单位向量，那么aa a 0=定理1：设向量a ≠0，那么，向量b 平行于a 的充分必要条件是：存在唯一的实数λ，使b ＝a λ例1：在平行四边形ABCD 中，设a =AB ，b =AD ，试用a 和b 表示向量MA 、MB 、MC 和MD ，这里M 是平行四边形对角线的交点。
高等数学第六版(同济版)第八章复习资料
第八章 空间解析几何与向量代数§8.1向量及其线性运算一、向量的相关概念1.向量的定义：称既有大小又有方向的量为向量(或矢量).2. 向量的数学表示法：用一条有方向的线段表示,记为 AB 或a .3. 向量的模：称向量的大小为向量的模，记为||a .4. 自由向量：称与起点无关的向量为自由向量.(如位移)5. 单位向量：称模为1的向量为单位向量,记作e .6. 零向量：称模为0的向量为零向量，记作0.7. 两向量相等：若向量与同模同方向，则称的与相等，记作=.(即两个向量平移后重合.)8. 两向量的夹角：],0[),(πϕ∈=∧b a ，≠,.9. 两向量平行：若非零向量a 与b 所成的角•b a 0),(=∧或π，则称的a 与b 平行，记作b //a . 规定: 零向量与任何向量平行.10. 两向量垂直：若非零向量a 与b 所成的角•2/),(π=∧，则称的a 与b 垂直，记作⊥.注: 零向量可认为与任何向量平行或垂直.11. 向量共线：平行的向量可移动到同一条直线上，也称之为向量共线.12. 向量共面：将)3(≥k k 个向量的起点放到同一点时，若k 个终点与公共起点在一个平面上，则称这k 个向量共面. 二、向量的线性运算 1．向量的加减法 (1). 向量的加法①．运算法则：设有向量a 与b ，求a 与b 的和.I. 三角形法则：c AC BC AB b a ==+=+.II. 平行四边形法则：==+=+=+.②.运算规律：1°. 交换律：a b b a +=+.2°. 结合律：)()(c b a c b a ++=++.注:)3(≥n 个向量相加的法则：用前一个向量的终点作为后一个向量的起点，依次作向量n a a a ,,,21 ，再以第一个向量的起点为起点，最后一个向量的终点为终点作一向量，这个向量即为所求向量的和，即n a a a s +++= 21. (2). 向量的减法①．负向量：称与向量a 同模反向的向量为它的负向量，记作a -.②. 两向量的差：称向量b 与向量a 的负向量a -的和为b 与a 的差向量，记作)(-+=-. 注：特别地，当a b =时，0)(=-+=-a a a a . ③．运算法则：设有向量a 与b ，求a 与b 的差.I.平行四边形法则：AB OC OA OB a b ==-=-. II.三角形法则：AB OA OB a b =-=-. (3). 运算定理：||||||+≤±. 2．向量与数的乘法(1). 定义：称向量与实数λ的乘积λ为向量的数乘. 注：1°. 规定a λ是一个向量.2°. ||||||a a ⋅=λλ3°. 若0>λ，则a λ与a 同向；若0<λ，则a λ与a 反向；若0=λ，则0=a λ. (2). 运算规律：①． 结合律：a a a )()()(λμλμμλ==. ②． 分配律：b a b a λλλ+=+)(. (3). 性质①．向量a 的同向单位向量：||a ae a =，a e a a ⋅=||. ②．向量平行的充要条件(定理)：若向量0≠a ，则向量b 平行于a 的充分必要条件是：存在唯一的实数λ，使a b λ=.③．数轴上的点P 的坐标为x 的充要条件为：i x OP =，其中向量i 为数轴的单位向量，实数x称为有向线段OP 的值.例1. 如图，用a 、b 表示MA 、MB 、MC 以及MD .解：由于MC AC b a 2==+，故()b a MC +=21，进而()b a MA +-=21. 又MD BD a b 2==-，故()-=21，进而()()-=--=2121.三、空间直角坐标系1. 空间直角坐标系：oxyz 坐标系或],,;[O 坐标系.2. 坐标面：xoy 面；yoz 面；zox 面.3. 卦限：),,(+++→z y x I ；),,(++-→z y x II ；),,(+--→z y x III ；),,(+-+→z y x IV ； ),,(-++→z y x V ；),,(-+-→z y x VI ； ),,(---→z y x VII ；),,(--+→z y x VIII .4. 空间点的坐标：),,(z y x M .OM r =(向径)OR OQ OP ++=k z j y i x ++=. (1). 向量r 的坐标分解式：k z j y i x r ++=. (2). 向量的分向量：z y x ,,. (3). 向量的坐标：),,(z y x =. (4). 点M 的坐标：),,(z y x M .注：1°. xoy 面上点M 的坐标：)0,,(y x M ； 2°. x 轴上点M 的坐标：)0,0,(x M ；yoz 面上点M 的坐标：),,0(z y M ； y 轴上点M 的坐标：)0,,0(y M ；zox 面上点M 的坐标：),0,(z x M . z 轴上点M 的坐标：),0,0(z M .四、利用坐标作向量的线性运算：设),,(z y x a a a =，),,(z y x b b b =. 1. 向量线性运算的坐标表示：(1). 加减法：),,(z z y y x x b a b a b a ±±±=±. (2). 数乘：),,(z y x a a a λλλλ=.(3). 两向量平行：)0,,(,),,(),,(≠==⇔=⇔z y x zzy y x x z y x z y x a a a a b a b a b a a a b b b b //a λ.注：1°. 若0,,0≠=z y x a a a ，则⎪⎩⎪⎨⎧==⇔z z yy x ab a b b b //a 0.2°. 若0,0≠==z y x a a a ，则⎩⎨⎧==⇔00yx b b //.例2. 已知)2,1,2(=，)2,1,1(--=，求线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-=-by x ay x 2335的解向量.解：方程①乘2减去方程②乘3得：b a x 32-=)2,1,1(3)2,1,2(2---=)10,1,7(-=，方程①乘3减去方程②乘5得：b a y 53-=)2,1,1(5)2,1,2(3---=)16,2,11(-=.例3. 已知两点),,(111z y x A 、),,(222z y x B 及实数1-≠λ，在直线AB 上求一点M ，使λ=. 解：因为OA OM AM -=，OM OB MB -=，因此有)(-=-λ，整理得)(11OM λλ++=， 代入坐标得)],,(),,[(11222111z y x z y x OM λλ++=⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++=λλλλλλ1,1,1212121z z y y x x ， 从而得到点M 的坐标⎪⎭⎫⎝⎛++++++λλλλλλ1,1,1212121z z y y x x M .注：线段AB 中点坐标公式⎪⎭⎫⎝⎛+++2,2,2212121z z y y x x M .五、向量的模、方向角、投影 1.向量的模与两点间距离公式：(1). 向量的模：k z j y i x z y x OM r ++===),,(，222||z y x ++=. (2). 两点间距离公式：点),,(111z y x A 与),,(222z y x B 之间的距离：212212212)()()(|z z y y x x AB -+-+-=.推导：因为()121212,,z z y y x x OA OB AB ---=-=，所以|)()()(||||212212212z z y y x x AB AB -+-+-==.例4. 求证以三点)1,3,4(1M 、)2,1,7(2M 、)3,2,5(3M 为顶点的三角形是一个等腰三角形. 解：由两点间距离公式，有 14)12()31()47(||22221=-+-+-=M M ；6)23()12()75(||22232=-+-+-=M M ； 6)31()23()54(||22213=-+-+-=M M ，由于||||1322M M M M =，故321M M M ∆为等腰三角形. 例5. 在z 轴上求与两点)7,1,4(-A 、)2,5,3(-B 等距离的点. 解：由题可设所求点为),0,0(z M ，有||||MB MA =，即222222)2()05()03()7()10()40(z z --+-+-=-+-++，整理得914=z ，故所求点为⎪⎭⎫ ⎝⎛914,0,0M . 例6. 已知两点)5,0,4(A 、)3,1,7(B ，求与AB 同向的单位向量e .解：因为)2,1,3()53,01,47(-=---=，所以14)2(13||222=-++=，于是)2,1,3(141||-==AB .2. 方向角与方向余弦(1). 向量的方向角：称非零向量r 与三条坐标轴的夹角γβα,,为向量r 的方向角，],0[,,πγβα∈.(2). 向量的方向余弦：方向角的余弦γβαcos ,cos ,cos .222||cos zy x x r ++==α,222||cos zy x y r ++==β,222||cos zy x z r ++==γ.注：1°. 1cos cos cos 222=++γβα；2sin sin sin 222=++γβα.2°. )cos ,cos ,(cos ),,||||γβα===z y x r r r e . 例7. 已知两点)2,2,2(1M 、)0,3,1(2M ，计算向量21M M 的模、方向余弦和方向角. 解：由于)2,1,1()20,23,21(21--=---=M M ，从而有2)2(1)1(||22221=-++-=M M于是，21cos -=α，21cos =β，22cos -=γ，由此可得43,3,32πγπβπα===.例8．设点A 位于第I 卦限，向径与x 轴、y 轴的夹角依次为3π、4π，且6||=OA ，求点A 的坐标.解：由于3πα=，4πβ=，并且1cos cos cos 222=++γβα，有4122211cos 222=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=γ，由题可知0cos >γ，故21cos =γ，于是)3,23,3(21,22,216||=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==e ，故点A 的坐标为)3,23,3(. 3. 向量在轴上的投影(1). 向量在轴上的投影：设向量与u 轴正向的夹角为ϕ，称数ϕcos ||为向量在u 轴上的投影，记作j u Pr 或u )(.注：向量),,(z y x a a a a =在三个坐标轴上的投影即为对应的坐标，即x x a j =Pr ，y y a j =Pr ，z z a j =Pr .(2). 投影的性质：①．j j j u u u Pr Pr )(Pr +=+. ②．j j u u Pr )(Pr λλ=.例9.设立方体的一条对角线为OM ，一条棱为OA ，且|OA|= a ，求OA 在OM 方向上的投影OA j OM Pr .解：记ϕ=∠MOA ，有31||||cos ==OM OA ϕ， 于是3cos ||Pr a OA OA j OM ==ϕ.§8.2数量积、向量积一、两向量的数量积1．常力沿直线所作的功：θcos ||||S F W ⋅= 2. 两向量的数量积(1). 定义：称向量与的模及其夹角余弦的乘积),cos(||||∧⋅⋅b a b a 为与的数量积，也称为内积或点积，记作b a ⋅.注：1°. a j b b j a b a Pr ||Pr ||==⋅.2°. 2||=⋅. 3°. 0=⋅⇔⊥b a b a . (2). 运算规律①．交换律：a b b a ⋅=⋅.(由定义可知) ②．分配律：c b c a c b a ⋅+⋅=⋅+)(c b c a b j c a j c b a j c c b a ⋅+⋅=⋅+⋅=+⋅=⋅+Pr ||Pr ||)(Pr ||)(③．结合律：)()(⋅=⋅λλ；)()()(⋅=⋅λμμλ.3. 两向量数量积的坐标表示式：若),,(z y x a a a a =，),,(z y x b b b =，则z z y y x x b a b a b a b a ++=⋅.4. 两非零向量夹角余弦的坐标公式：222222||||),cos(||||zy x zyxz z y y x x bb b aa ab a b a b a b a ba b a b a ++++++=⋅=⋅⋅∧.例1. 试用向量证明三角形的余弦定理： θcos 2222ab b a c -+=. 解：在ABC ∆中，记a BC =||，b CA =||，c AB =||，a CB =，b CA =，c AB =，有b a c -=，从而⋅+⋅-⋅=-⋅-=⋅=2)()(||22||cos ||||2||+⋅-=θ，即θcos 2222ab b a c -+=.例2. 已知三点)1,1,1(M 、)1,2,2(A 和)2,1,2(B ，求AMB ∠.解：由题可得)0,1,1()11,12,12(=---=MA ，)1,0,1()12,11,12(=---=MB ，于是21221||||cos =⋅=⋅=∠MB MA AMB ，故3π=∠AMB .例3. 设液体流过平面S 上面积为A 的一个区域，液体在这区域上各点处的流速均为(常向量)v . 设为垂直于S 的单位向量，计算单位时间内经过这区域流向所指一侧的液体的质量m (液体的密度为ρ).解：单位时间内经过该区域的液体的体积为n v A v A V ⋅==θcos ||， 所求质量为n v A V m ⋅==ρρ. 二、两向量的向量积1. 力对支点的力矩：M .模：||||||OQ =θsin ||||=； 方向：与及的方向成右手规则. 2. 两向量的向量积(1).定义：设有向量a 与b ，夹角为θ，称c 为a 与b 的向量积(叉积、外积)，其中c 的模θsin ||||||b a c =，方向与a 和b 的方向符合右手规则，记作b a c ⨯=. 注：1°. 0=⨯a a .2°. 0//=⨯⇔b a b a .3°. ||⨯的几何意义：以a 与b 为邻边的平行四边形的面积. (2).运算规律①．反交换律：⨯-=⨯. ②．分配律：c b c a c b a ⨯+⨯=⨯+)(. ③．结合律：)()()(b a b a b a ⨯=⨯=⨯λλλ.(3). 两向量的向量积的坐标表示式：设k a j a i a a z y x ++=，k b j b i b b z y x ++=，则b b a a b b a a b b a a b a xx xzz zyy ++=⨯zyxz y x b b b a a a =⨯.例4. 试用两向量的向量积证明三角形正弦定理：CcB b A a sin sin sin ==. 证明：在三角形ABC ∆中，记a BC =||，b CA =||，c AB =||，由于||21||21||21CB CA BA BC AC AB S ABC ⨯=⨯=⨯=∆，即c b a B c a A c b sin sin sin ⋅=⋅=⋅， 整理得 C cB b A a sin sin sin ==. 例5. 设)1,1,2(-=，)2,1,1(-=，计算b a ⨯.解：k j i kj b a 352111--=--=⨯. 例6. 已知三角形ABC 的顶点分别是)3,2,1(A 、)5,4,3(B 和)7,4,2(C ，求三角形ABC 的面积.解：由于)2,2,2(=AB ，)4,2,1(=AC ，有26422+-==⨯，于是142)6(421|264|21||21222=+-+=+-=⨯=S ABC ∆. 例7. 设刚体一角速度ω绕l 轴旋转，计算刚体上一点M 的线速度v . 解：在轴l 上引进一个角速度向量ω，使ωω=||，其方向与旋转方向 符合右手法则，在l 上任取一点O ，作向径=，它与ω的夹角为θ， 则点M 离开转轴的距离θsin ||a =，由物理学中线速度和角速度的关系可知，θωωsin ||||||||r a v ==，且ω、r 、v 符合右手规则，于是r v ⨯=ω.§8.3曲面及其方程一、曲面方程的相关概念1.曲面方程：若曲面S 上任一点的坐标都满足方程(*)0),,(=z y x F ，且不在曲面S 上的点的坐标都不满足方程(*)，则称方程(*)为曲面S 的方程，而称曲面S 为称方程(*)的图形.2.关于曲面的两个基本问题(1). 已知一曲面作为空间点的几何轨迹，建立该曲面的方程.(2). 已知关于点),,(z y x M 的坐标x 、y 、z 之间的一个方程0),,(=z y x F ，研究该方程所表示曲面的形状.例1. 建立球心在点),,(0000z y x M 、半径为R 的球面方程.解：设),,(z y x M 为所求球面上任一点，有R M M =||0，即R z z y y x x =-+-+-202020)()()(， 整理得 2202020)()()(R z z y y x x =-+-+-.例2. 设有点)3,2,1(A 和)4,1,2(-B ，求线段AB 的垂直平分面的方程. 解：设),,(z y x M 为所求平面上任一点，由题意，有||||BM AM =，即222222)4()1()2()3()2()1(-+++-=-+-+-z y x z y x ，整理得 07262=-+-z y x .例3. 方程042222=+-++y x z y x 表示怎样的曲面？解：原方程变形为5)2()1(222=+++-z y x ，表示以)0,2,1(0-M 为球心，以5为半径的球面. 二、旋转曲面1. 定义：称由一条平面曲线绕其平面上一条定直线旋转一周所成的曲面为旋转曲面，称旋转曲线为旋转曲面的母线，定直线为旋转曲面的轴.2. 旋转曲面的方程：曲线C ：0),(=z y f 绕z 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±z y x f .(绕y 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±x z y f .)(巧记：绕谁谁不动，缺谁补上谁.)推导：在曲线C 上任取一点),,0(111z y M ，有0),(11=z y f ，且点1M 到z 轴的距离||1y d =.当曲线C 绕z 轴旋转时，点1M 绕z 轴旋转到点),,(z y x M ，其中1z z =，点M 到z 轴的距离221y x d +=，由于1d d =，有221||y x y +=， 即221y x y +±=，代入曲线方程有0),(22=+±z y x f .注：1°. 曲线C ：0),(=y x f 绕x 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±z y x f ；绕y 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±y x z f .2°. 曲线C ：0),(=x z f 绕z 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±y x z f ；绕x 轴旋转一周所成的旋转曲面方程为：0),(22=+±x z y f .3. 常见旋转曲面及其方程(1). 圆锥面及其方程①．圆锥面：称由直线L 绕与其相交的直线旋转一周所成的曲面为圆锥面，称两直线的交点为圆锥面的顶点，称两直线的夹角)2/,0(πα∈为圆锥面的半顶角.②．圆锥面的方程：以坐标原点o 为顶点，以α为半顶角，以z 轴为旋转轴的圆锥面的方程为：)(2222y x a z +=，其中αcot =a .推导：在yoz 坐标面上，过原点且与z 轴夹角为α的直线方程为y z ⋅=αcot ，于是，直线L 绕z 轴旋转而成的圆锥面的方程为)(cot 22y x z +±⋅=α，整理得)()(cot 2222222y x a y x z +⋅=+⋅=α.注：1°. 以坐标原点O 为顶点，以α为半顶角，以x 轴为旋转轴的圆锥面的方程为：)(2222z y a x +=，其中αcot =a .2°. 以坐标原点O 为顶点，以α为半顶角，以y 轴为旋转轴的圆锥面的方程为：)(2222x z a y +=，其中αcot =a .(2). 旋转双曲面及其方程①．旋转双曲面：称由双曲线绕其对称轴旋转一周所成的曲面为旋转双曲面，分为单叶和双叶双曲面.②．旋转双曲面的方程：(双曲线：12222=-cz a x ) 旋转单叶双曲面的方程：(绕z 轴旋转) 122222=-+cz a y x . 旋转双叶双曲面的方程：(绕x 轴旋转) 122222=+-cz y a x .三、柱面1. 柱面的定义： 称由直线L 沿定曲线C 平行于定直线l 移动所成的轨迹为柱面，称定曲线C 为柱面的准线，动直线L 为柱面的母线.2. 几种常见柱面及其方程(缺谁母线平行谁)(1). 圆柱面：222R y x =+. (准线为xoy 坐标面上的圆：222R y x =+，母线平行z 轴.)222R z y =+. (准线为yoz 坐标面上的圆：222R z y =+，母线平行x 轴.)222R x z =+. (准线为zox 坐标面上的圆：222R x z =+，母线平行y 轴.)(2). 过坐标轴的平面：0=-y x ，过z 轴，准线为xoy 坐标面上的直线0=-y x .0=-z y ，过x 轴，准线为yoz 坐标面上的直线0=-z y .0=-x z ，过y 轴，准线为zox 坐标面上的直线0=-x z .四、二次曲面1. 椭球面：1222222=++c z b y a x .2. 椭圆锥面：22222z by a x =+. 3. 单叶双曲面：1222222=-+c z b y a x . 4. 双叶双曲面：1222222=--cz b y a x . 5. 椭圆抛物面：z b y a x =+2222. 6. 双曲抛物面：z by a x =-2222. 7. 椭圆柱面：12222=+b y a x . 8. 双曲柱面：12222=-by a x 9. 抛物柱面：ay x =2.§8.4空间曲线及其方程一、空间曲线：称空间两曲面的交线为空间曲线，记为C .二、空间曲线的方程1. 一般式(面交式)方程：⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F . 例如：⎩⎨⎧=+=+632122y x y x 表示圆柱面122=+y x 与平面632=+y x 的交线. 又如：⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛=+⎪⎭⎫ ⎝⎛---=22222222a y a x y x a z 表示上半球面222y x a z --=与圆柱面22222⎪⎭⎫ ⎝⎛=+⎪⎭⎫ ⎝⎛-a y a x 的交线.2. 参数方程：⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z z t y y t x x ，其中点),,(z y x M 随着参数t 的变化遍历曲线C .例1. 称由点),,(z y x M 在圆柱面222a y x =+上以角速度ω绕z 轴旋转，又同时以线速度v 沿平行z 轴的正向上升所成的图形为螺旋线，求其参数方程.解：取时间t 为参数，0=t 对应点)0,0,(a A ，t 对应点),,(z y x M ，作M 在xoy 面上的投影'M ，有)0,,('y x M ，且t AOM ω=∠'，于是t a AOM OM x ωcos 'cos |'|=∠=，t a AOM OM y ωsin 'sin |'|=∠=，又vt MM z =='，于是，螺旋线的参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===vt z t a y t a x ωωsin cos ， 令ωωθv b t ==,，则螺旋线的参数方程为⎪⎩⎪⎨⎧===θθθb z a y a x sin cos . 三、空间曲线在坐标面上的投影1．投影柱面：称以空间曲线C 为准线，母线平行于z 轴的柱面为曲线C 关于xoy 坐标面的投影柱面.2. 空间曲线的投影：称空间曲线C 关于xoy 坐标面的投影柱面与xoy 坐标面的交线为空间曲线C 在xoy 坐标面上的投影曲线，也称为投影.3. 空间曲线的投影方程：空间曲线C ：⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F 在xoy 坐标面上的投影方程为⎩⎨⎧==00),(z y x H ，其中0),(=y x H 为方程组⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F 消去z 所得的投影柱面方程. 注：1°. 空间曲线曲线C ：⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F 在yoz 坐标面上的投影方程为⎩⎨⎧==00),(x z y R . 2°. 空间曲线曲线C ：⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F 在zox 坐标面上的投影方程为⎩⎨⎧==00),(y x z T .例2. 求曲线⎪⎩⎪⎨⎧=-+-+=++1)1()1(1222222z y x z y x 在xoy 坐标面上的投影方程. 解：现求曲线C 在关于xoy 坐标面上的投影方程，将方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-+-+=++1)1()1(1222222z y x z y x 消去z 得投影柱面方程：02222=-+y y x ，于是所求投影方程为⎩⎨⎧==-+002222z y y x .例3. 求由上半球面224y x z --=和锥面)(322y x z +=所围成的立体在xoy 坐标面上的投影. 解：先求曲线⎪⎩⎪⎨⎧+=--=)(342222y x z y x z 关于xoy 坐标面的投影方程，消去z 得投影柱面方程：122=+y x ，故曲线⎪⎩⎪⎨⎧+=--=)(342222y x z y x z 在xoy 坐标面上的投影方程为⎩⎨⎧==+0122z y x ，从而所求投影为圆域：122≤+y x .§8.5平间及其方程一、平面的点法式方程1.平面的法向量：称垂直于一平面的非零向量为该平面的法线向量.2.平面的点法式方程：过点),,(0000z y x M ，以向量),,(C B A =为一法向量的平面∏的方程为：0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A .推导：在平面∏上任取一点),,(z y x M ，有向量),,(0000z z y y x x M M ---=，由于M M n 0⊥，有00=⋅M M n ，即有0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A (1)，即平面∏上的点的坐标都满足方程(1).反之，若点),,(z y x M 不在平面∏上，则向量M M 0不垂直法向量n ，从而00≠⋅M M n ，即不在平面∏上的点的坐标都不满足方程(1).于是得到平面∏的点法式方程0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A .例1. 求过点)0,3,2(-且以)3,2,1(-=为法向量的平面的方程.解：由平面的点法式方程得 0)0(3)3(2)2(=-++--z y x ，整理得 0832=-+-z y x . 例2. 求过三点)4,1,2(1-M 、)2,3,1(2--M 和)3,2,0(3M 的平面的方程. 解：先求所求平面的一个法向量n ，由题可得向量)6,4,3(21--=M M ，)1,3,2(31--=M M ，可取 k j i kj i M M M M n -+=----=⨯=9141326433121，于是所求平面的方程为0)4()1(9)2(14=--++-z y x ，整理得015914=--+z y x .二、平面的一般方程1. 平面的一般方程：0=+++D Cz By Ax (*)推导：若点),,(0000z y x M 满足方程(*)，则有0000=+++D Cz By Ax ， (**)两方程相减得0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A ， (***)方程(***)为过点),,(0000z y x M ，以向量),,(C B A n =为一法向量的平面的点法式方程.由于方程(*)与(***)同解，可知任何一个三元一次方程(*)的图形总是一个平面，称0=+++D Cz By Ax 为平面的一般方程，其一法线向量为),,(C B A n =.2. 几种特殊平面的一般方程：(缺谁平行谁)(1). 过原点的平面方程：0=++Cz By Ax ，法向量为),,(C B A =.(2). 平行x 轴的平面方程：0=++D Cz By ，法向量为),,0(C B n =.(3). 垂直于x 轴 (平行yoz 坐标面) 的平面方程：0=+D Ax ，法向量为)0,0,(A n =. 例3．求通过x 轴和点)1,3,4(--的平面的方程.解：由题意，可设所求平面的方程为：0=+Cz By ，(*)又点)1,3,4(--在该平面上，有03=--C B ，得B C 3-=，代入方程(*)得03=-z y . 例4. 设一平面与x 、y 、z 轴的交点依次为)0,0,(a P 、)0,,0(b Q ，),0,0(c R ，求该平面的方程.解：设所求平面的方程为0=+++D Cz By Ax ，(*) 将P 、Q 、R 三点坐标代入得⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+000D cC D bB D aA ，得a D A -=，b D B -=，cD C -=，代入方程(*)， 从而有所求平面方程为1=++cz b y a x ，称之为平面的截距式方程. 三、两平面的夹角及点到平面的距离 1. 两平面的夹角：称两平面的法线向量的夹角(锐角)为两平面的夹角.2. 两平面夹角的余弦：设平面1∏的法线向量为),,(1111C B A n =，平面2∏的法线向量为),,(2222C B A n =，两平面的夹角为θ，则22222221212121212121|||),cos(|cos C B A C B A C C B B A A n n ++⋅++++==∧θ.注：1°. 212121212121////D D C C B B A A n n ≠==⇔⇔∏∏. 2°. 021********=++⇔⊥⇔⊥C C B B A A n n ∏∏.3. 点到平面的距离：平面0:=+++D Cz By Ax ∏外一点),,(0000z y x P 到平面∏的距离为222000||C B A D Cz By Ax d +++++=.推导：在平面∏上任取一点),,(1111z y x P ，过点0P 作平面∏的一法向量n ， 有|||Pr |001NP P P j d ==，由于01010101010101||||||||cos ||Pr P P e P P n P P n P P n P P P P P P j n ⋅=⋅=⋅== θ， 由于⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++=222222222,,C B A C C B A B CB A A e n ，),,(01010101z z y y x x P P ---=， 于是))()()((Pr 10101022201z zC y y B x x A C B A AP P j n -+-+-++=，又点),,(1111z y x P 在平面∏上，故有0111=+++D Cz By Ax ，从而222000||C B A D Cz By Ax d +++++=.例5. 求两平面062=-+-z y x 和052=-++z y x 的夹角. 解：由两平面夹角余弦公式211122)1(1|121)1(21|cos 222222=++⋅+-+⨯+⨯-+⨯=θ，故所求夹角为3πθ=. 例6. 一平面通过两点)1,1,1(1M 和)1,1,0(2-M 且垂直于平面0=++z y x ，求它的方程. 解：设所求平面∏的一个法线向量为),,(C B A n =，由题可知向量)2,0,1(21--=M M 在平面∏上，已知平面0:1=++z y x ∏的一个法线向量为)1,1,1(1=n ，由题意有21M M ⊥，有02=--C A ；1n n ⊥，有0=++C B A ；由以上两方程可得C A 2-=，C B =，故所求平面∏的法线向量为),,2(C C C n -=，于是所求平面∏的方程为0)1()1()1(2=-+-+--z C y C x C ，整理得02=--z y x . 另解：由题可知所求平面上一向量)2,0,1(21--=M M ，又已知平面0=++z y x 的一个法线向量为)1,1,1(1=n ，易知1n 不平行于21M M ，故可取所求平面的一个法线向量为M M ++-=--=⨯=2201111211，于是所求平面方程为：0)1()1()1(2=-+-+--z y x ，整理得02=--z y x .第六节 空间直线及其方程一、空间直线：称空间两平面1∏、2∏的交线为空间直线.二、空间直线的方程1. 一般(面交式) 方程：⎩⎨⎧=+++=+++0022221111D z C y B x A D z C y B x A . 2. 对称式(点向式)方程(1). 直线的方向向量：称平行于已知直线的非零向量为该直线的方向向量.(2). 直线的点向式方程：过点),,(0000z y x M 以向量),,(p n m S =为方向向量的直线L 的方程为：pz z n y y m x x 000-=-=-. 推导：在直线L 上任取一点),,(z y x M ，有向量),,(0000z z y y x x M M ---=，由于S M M //0，故有 pz z n y y m x x 000-=-=-， (*) 即直线L 上点的坐标都满足方程(*).反之，若点),,(z y x M 不在直线L 上，则由于M M 0不平行S ，所以这两向量的对应坐标就不成比例，因此方程(*)就是直线L 的方程，称为直线的对称式或点向式方程. 注：1°. m 、n 、p 不同时为零.2°. 若0,,0≠=p n m ，则直线L 的方程为⎪⎩⎪⎨⎧-=-=-p z z n y y x x 0000，即平面00=-x x 上的直线.3°. 若0,0≠==p n m ，则直线L 的方程为⎩⎨⎧=-=-0000y y x x ，即平面00=-x x 与00=-y y 上的交线，过点),,(000z y x 且平行z 轴.3. 参数方程：⎪⎩⎪⎨⎧+=+=+=pt z z nt y y m t x x 000.注：一般式⇒对称式⇔参数式.例1. 用对称式方程以及参数方程表示直线⎩⎨⎧=++-=+++043201z y x z y x .解：先找出该直线上一点),,(000z y x ：不妨取10=x ，代入原方程组得⎩⎨⎧=--=+632z y y x ，解得00=y ，20-=z ，即)2,0,1(-为该直线上一点. 再找该直线的方向向量：由题可知交成该直线的两平面的法线向量分别为)1,1,1(1=n ，)3,1,2(1-=n，故可取k j i kj n n S 341121--=-=⨯=，故所给直线的对称式方程为：32141-+=-=-z y x . 令t z y x =-+=-=-32141，得到所给直线的参数方程：⎪⎩⎪⎨⎧--=-=+=t z t y t x 3241. 三、两直线的夹角1. 两直线的夹角：称两直线的方向向量的夹角(锐角)为两直线的夹角.2. 两直线夹角的余弦：直线1L 的方向向量为),,(1111p n m S =，直线2L 的方向向量为),,(2222p n m S =,两直线的夹角为ϕ，则22222221212121212121|||),cos(|cos p n m p n m p p n n m m ++⋅++++==∧ϕ. 注：1°. 021********=++⇔⊥⇔⊥p p n n m m S S L L .2°. 2121212121////p p n n m m S S L L ==⇔⇔. 例2. 求直线13411:1+=-=-z y x L 和1222:2-=-+=z y x L 的夹角. 解：由题可知直线1L 的方向向量为)1,4,1(1-=S ，直线2L 的方向向量为)1,2,2(2--=S ，设1L 与2L 的夹角为ϕ，则由两直线夹角余弦公式得21)1()2(21)4(1|)1(1)2()4(21|cos 222222=-+-+⋅+-+-⨯+-⨯-+⨯=ϕ, 故4πϕ=. 四、直线与平面的夹角 1. 直线与平面的夹角：称直线与不垂直该直线的平面上的投影 直线的夹角)2/0(πϕϕ<≤为直线与平面的夹角. 规定：直线与平面垂直时夹角为2π. 2. 直线与平面夹角的正弦：若直线L 的方向向量为),,(p n m S =，平面∏的而一个法线向量为),,(C B A n =.L 与∏的夹角为ϕ，则222222||sin p n m C B A Cp Bn Am ++⋅++++=ϕ. 注：1°. p C n B m A n S L ==⇔⇔⊥//∏. 2°. 0//2121=++⇔⊥⇔Cp Bn Am L L .例3. 求过点)4,2,1(-且与平面0432=-+-z y x 垂直的直线的方程. 解：由题意，可取)1,3,2(-=S 为所求直线的一个方向向量，故所求直线的方程为143221-=-+=-z y x . 五、平面束及其方程1. 平面束：称通过定直线的所有平面的全体为平面束.2. 平面束的方程：设有直线⎩⎨⎧=+++=+++00:22221111D z C y B x A D z C y B x A L ，其中111,,C B A 与222,,C B A 不成比例,则通过直线L 的平面束的方程为：0)(22221111=+++++++D z C y B x A D z C y B x A λ. 注：该平面束不包含平面02222=+++D z C y B x A .例4. 求直线⎩⎨⎧=++-=--+0101z y x z y x 在平面0=++z y x 上的投影直线的方程. 解：过直线⎩⎨⎧=++-=--+0101z y x z y x 的平面束的方程为0)1(1=++-+--+z y x z y x λ，即 01)1()1()1(=-+-+-++λλλλz y x ，其中λ为待定常数.由题可知，该平面与已知平面0=++z y x 垂直，故有01)1(1)1(1)1(=⋅-+⋅-+⋅+λλλ，即01=+λ，解得1-=λ.由此可得所给直线关于所给平面 的投影平面的方程为0222=--z y ，整理得01=--z y ,故所求投影直线的方程为⎩⎨⎧=++=--001z y x z y . 六、点到直线的距离：直线pz z n y y m x x L 111:-=-=-外一点),,(0000z y x M 到直线L 的距离为： ||0S S MM d =),,(z y x M 为直线L 上的一点.推导：在直线L 上任取一点),,(z y x M ，有向量0，设点0M 到直线L 的距离为d ，由于||||0S MM S d ⨯=⋅，故||0S S MM d =. 例5. 求点)3,2,1(到直线412111-=-=-z y x 的距离. 解：由题可知，所给直线的方向向量为)4,2,1(=S ，点)1,1,1(是该直线上一点，从而有向量)2,1,0(--=a ，由平面外一点到直线的距离公式得：2154214221222=++--==d . 七、杂例： 例6. 求与两平面34=-z x 和152=--z y x 的交线平行且过点)5,2,3(-的直线的方程. 解法一 (点向式) 由题可知两已知平面的法向量分别为)4,0,1(1-=和)5,1,2(2--=，故可取21n n ⨯为所求直线的一个方向向量，即)34(514021++-=---=⨯=，于是所求直线方程为153243-=-=+z y x . 解法二 (一般式)过点)5,2,3(-且与平面34=-z x 平行的平面方程为234-=-z x ，过点)5,2,3(-且与平面152=--z y x 平行的平面方程为3352-=--z y x ，易知所求直线为上述两个平面的交线，所以所求直线方程为⎩⎨⎧-=---=-3352234z y x z x .例7.求直线241312-=-=-z y x 与平面062=-++z y x 的交点. 解：易知所给直线的参数方程为t x +=2，t y +=3，t z 24+=，代入平面方程中，得06)24()3()2(2=-+++++t t t ，解得1-=t ，代入直线的参数方程得所求交点的坐标2,2,1===z y x .例8.求过点)3,1,2(且与直线12131-=-=+z y x 垂直相交的直线方程.解：先求过点)3,1,2(且垂直于已知直线12131-=-=+z y x 的平面： 由题可知该平面的方程为 0)3()1(2)2(3=---+-z y x .再求该平面与已知直线的交点：已知直线的参数方程为t x 31+-=，t y 21+=，t z -=，代入上述平面方程解得73=t ，于是得到交点坐标⎪⎭⎫ ⎝⎛-73,713,72. 以点)3,1,2(为起点，点⎪⎭⎫ ⎝⎛-73,713,72为终点的向量为)4,1,2(76373,1713,272--=⎪⎭⎫ ⎝⎛----，于是所求直线方程为431122-=--=-z y x .。
第八章 空间解析几何与向量代数(同济六版)ppt课件
z
坐标轴 :
o
y
x轴
y轴
y0 z0
z0 x0
x
坐标面 : xoy面 z 0
x 0 z轴 y 0
x 0 yoz面 zox面 y 0
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2. 向量的坐标表示
i , j , k 分别表示坐标轴x, y, z上的单位向量
(1)设点 M (x, y, z), 则
第八章 空间解 析几何与向量 代数(同济六版 )
§1 向量及其线性运算
§2 数量积，向量积 §3 平面及其方程
§4 空间直线及其方程
§5 曲面及其方程
§6 空间曲线及其方程
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§1 向量及其线性运算
一、向量的概念 二、向量的线性运算 三、空间直角坐标系
第一次课
四、利用坐标作向量的线性运算 五、向量的模、方向角、投影
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【例1】如果四边形对角线互相平分，则它是
解: 如图 M 为四边形ABCD 对角线的交点, 则
D
A B a b ， 1 1
b
2
a
M
b1
C
2
D C a b 2 2
a
A
1
B
由已知 a a ,b b 1 2 1 2 所以
A B D C
所以ABCD为平行四边形.
( 2 , 3 , )
c a 2 ( 2 )( 1 3 )( 1 ) 0
6 2 0 取λ =1，则μ =3
c (, 58 , 2 )
特殊点的坐标 : 原点 O(0,0,0) ; 坐标面上的点 A , B , C
高数同济第六版A2重点知识整理
20
6．应用 几何应用： 平面图形的面积：
空间曲面的面积：
d
D
A 1 f x f y d
2 2 D
或
A
D
z z 1 d y x
2
2
D 怎样确定？
空间立体的体积： V
z
z0
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5
4、 空间直线与平面的方程 空间平面 一般式 点法式 截距式
x a y b z c 1
y y1 y2 y1 y3 y1
点 : ( x0 , y0 , z0 ) 法向量 : n ( A , B , C )
z z1 z2 z1 0 z3 z1
f x
cos
f y
cos
f z
cos
2、梯度 gradf ( x , y , z )
f x
i
f y
j
f z
k
x (t ) 3、空间曲线 : y ( t ) z (t )
切向量
T ( t ), ( t ), ( t )
( x0 , y0 , z0 ) 为直线上一点;
参数式
s ( m , n , p ) 为直线的方向
向量.
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7
5.线面之间的相互关系
面与面的关系 平面
平面 2 : A2 x B2 y C 2 z D2 0, n2 ( A2 , B2 , C 2 )
垂直: 平行: n1 n2 0
f ( x0 x , y0 ) f ( x0 , y0 ) x
《高等数学》向量代数和空间解析几何
a∥ b
运算律
(1) ab ba (2) 分配律 (ab)cacbc
(3) 结合律 (a)ba(b)(ab)
向量积的坐标表达式
ab ( a y b z a z b y ) i ( a z b x a x b z ) j ( a x b y a y b x ) k
i j k a b ax ay az
例5. 求通过 x 轴和点( 4, – 3, – 1) 的平面方程.
解: 因平面通过 x 轴 , 故 AD0 设所求平面方程为 ByCz0
代入已知点 (4,3,1)得 C3B
化简,得所求平面方程 y3z0
空间直线
一般式 A A 21xx B B 2 1y y C C 1 2zz D D 12 00
从柱面方程看柱面的特征：
只含 x, y而缺z的方程F(x, y) 0，在 空间直角坐标系中表示母线平行于 z 轴的柱 面，其准线为 xoy面上曲线C .
(3) 二次曲面
椭球面
a x2 2b y2 2cz2 21 (a,b,c为正 ) 数 z
x
y
抛物面
z
椭圆抛物面
x2 y2 z ( p , q 同号) 2p 2q
n (0 ,B ,C ) i,平面平行于 x 轴; • A x+C z+D = 0 表示 平行于 y 轴的平面; • A x+B y+D = 0 表示 平行于 z 轴的平面; • C z + D = 0 表示平行于 xoy 面 的平面; • A x + D =0 表示平行于 yoz 面 的平面； • B y + D =0 表示平行于 zox 面 的平面.
o
y
3、空间曲线 （1） 空间曲线的一般方程
高等教育出版社高等数学同济第六版下册第八章PPTD8_1向量及运算
组成一个空间(kōngjiān)直规角坐则标系.
z 轴(竖轴)
• 坐标原点
Ⅲ
Ⅱ
• 坐标轴
Ⅳ
• 坐标面
Ⅰ
• 卦限(八个) Ⅶ
y轴(纵轴)
x轴(横轴)
Ⅷ
Ⅵ Ⅴ
共三十一页
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在直角坐标(zhí jiǎo zuò biāo) 系下
点M
有序数组
(称为点 M 的坐标)
特殊(tèshū)点的坐
与三坐标轴的夹角目录上页下页返回结束目录上页下页返回结束目录上页下页返回结束设点a位于第一卦限已知角依次为coscosoa第二节oa目录上页下页返回结束向量在轴上的投影第二节上的投影为例如目录上页下页返回结束第二节设立方体的一条对角线为om一条棱为oa求oa在om方向上的投影
第八章
空间解析几何与向量代数
标 原: 点 O(0,0,0) ;
坐标轴上的点 P, Q , R ;
坐标(zuòbiāo)面上的点 A , B ,
C
向径
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坐标轴 :
坐标(zuòbiāo) 面:
共三十一页
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2. 向量(xiàngliàng)的坐标
表示
在空间(kōngjiān)直角坐标 任意向量 r 可用向径 OM 表示.
向量 的模 、方向(fāngxiàng)余弦和方向(fāngxiàng)角 .
解:
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例8. 设点 限,
A
位于(wèiyú)第一卦
向径
OA
与x
轴
y
轴的夹
角依次(yīcì)为
第7章 空间解析几何与向量代数
在空间引入一直角坐标系，为一个向量，为了讨论方便， a
OM OA AP PM OA OB OC
称向量OA, OB, OC为OM 在x轴、y轴、z轴上的分向量。 （又称基本单位向量）
记i, j , k分别为与x轴、y轴、z轴正向相同的单位向量。
设 Pr jx OM X , Pr j y OM Y , Pr jz OM Z 那么 OA X i , OB Y j , OC Z k 于是OM X i Y j Z k
cos X | OM | X X Y Z
2 2 2
而 Y Pr j y a | OM | cos , cos Y X 2 Y 2 Z2
同理 cos
Z X 2 Y 2 Z2
由于0 , , cos , cos , cos 唯一, 故称 cos , cos , cos为向量a 的方向余弦. 显然a
设向量 a, b 称 a b cos(a, b) 为向量 a, b 的数量积, 记作 a b 即a b a b cos(a, b)
由于 Pr ja b b cos(a, b) 所以 a b a Pr ja b b Pr jb a
点积的运算性质
(1) a a a
2
(2) cos(a, b)
a b ab
(3) a b a b 0
点积满足
交换律 a b b a
分配律 (a b) c a c b c ; ( a) b (a b)
5)向量与向量的向量积(又称为叉积)
设两个向量 a, b 称向量 a b sin(a, b) 为向量 a与b 的向量积, 记作 a b , 即 a b a b sin(a, b) 其中 是单位向量, 的方 向为按右手法则四指从a 的正向以不超过的角转动到b 的 正向时大拇指所指的方 . 向
空间解析几何与向量代数知识点总结
空间解析几何与向量代数知识点总结
以下是空间解析几何与向量代数的一些重要知识点总结：
1.三维坐标系：空间解析几何中，我们使用三维坐标系来描述点的位置。
常见的三维坐标系有直角坐标系和球坐标系。
2.点、向量和直线：点是空间中的一个位置，向量是由起点和终点确定的有方向的线段。
直线是空间中一组满足某种几何性质的点的集合。
3.向量的表示和运算：向量可以用坐标表示，常见的表示方法有行向量和列向量。
向量的运算包括加法、减法、数量乘法、点乘和叉乘等。
4.向量的长度和方向：向量的长度可以用模长表示，方向可以用单位向量表示。
单位向量是长度为1的向量，可以通过将向量除以其模长得到。
5.平面和曲面：平面是空间中一组满足某种几何性质的点的集合，可以用法向量和一个过点的向量表示。
曲面是空间中一组满足某种几何性质的点的集合。
6.点到直线和点到平面的距离：点到直线的距离可以通过求取点到直线的垂直距离得到，点到平面的距离可以通过求取点到平面的垂直距离得到。
7.向量的线性相关性和线性独立性：向量的线性相关性表示向量之间存在线性关系，线性独立性表示向量之间不存在线性关系。
8.平面的交线和平面的夹角：两个平面的交线是同时在两个平面上的点的集合，平面的夹角是两个平面的法向量之间的夹角。
9.点积和叉积的应用：点积可以用来计算向量的夹角和投影，叉积可以用来计算向量的长度、面积和法向量。
10.直线和平面的方程：直线可以用参数方程和对称方程表示，平面可以用点法式方程和一般式方程表示。
同济大学(高等数学)_第八章_向量代数与解析几何
第五篇向量代数与空间解析几何第八章向量代数与空间解析几何解析几何的基本思想是用代数的方法来研究几何的问题，为了把代数运算引入几何中来，最根本的做法就是设法把空间的几何结构有系统的代数化，数量化.平面解析几何使一元函数微积分有了直观的几何意义，所以为了更好的学习多元函数微积分，空间解析几何的知识就有着非常重要的地位.本章首先给出空间直角坐标系，然后介绍向量的基础知识，以向量为工具讨论空间的平面和直线，最后介绍空间曲面和空间曲线的部分内容.第1节空间直角坐标系空间直角坐标系用代数的方法来研究几何的问题，我们需要建立空间的点与有序数组之间的联系，为此我们通过引进空间直角坐标系来实现.空间直角坐标系过定点O，作三条互相垂直的数轴，这三条数轴分别叫做x轴(横轴）、y轴(纵轴)、z轴(竖轴)，它们都以O为原点且具有相同的长度单位.通常把x轴和y轴配置在水平面上，而z轴则是铅垂线；它们的正方向要符合右手规则：右手握住z轴，当右手的四指从x轴的正向转过角度指向y轴正向时，大拇指的指向就是z轴的正向，这样就建立了一个空间2直角坐标系（图8-1），称为Oxyz直角坐标系，点O叫做坐标原点.zO yx图8-1在Oxyz直角坐标系下，数轴Ox,Oy,Oz统称为坐标轴，三条坐标轴中每两条可以确定一个平面，称为坐标面，分别为xOy，yOz，zOx，三个坐标平面将空间分为八个部分，每一部分叫做一个卦限（图8-2），分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ表示.图8-2空间点的直角坐标设M为空间中的任一点，过点M分别作垂直于三个坐标轴的三个平面，与x轴、y轴和z轴依次交于A、B、C三点，若这三点在x轴、y轴、z轴上的坐标分别为x，y，z，于是点M就唯一确定了一个有序数组(x,y,z)，则称该数组(x,y,z)为点M在空间直角坐标系Oxyz中的坐标，如图8-3．x，y，z分别称为点M的横坐标、纵坐标和竖坐标．zCz M(x,y,z)x AxO yB y图8-3反之，若任意给定一个有序数组(x,y,z)，在x轴、y轴、z轴上分别取坐标为x，y，z的三个点A、B、C，过这三个点分别作垂直于三个坐标轴的平面，这三个平面只有一个交点M，该点就是以有序数组(x,y,z)为坐标的点，因此空间中的点M就与有序数组(x,y,z)之间建立了一一对应的关系．注：A、B、C这三点正好是过M点作三个坐标轴的垂线的垂足．空间中两点之间的距离设两点M(x,y,z)，N(x,y,z)，则M与N之间的距离为111222d=(x-x)2+(y-y)2+(z-z)2（8-1-1）212121事实上，过点M和N作垂直于xOy平面的直线，分别交xOy平面于点M和N，则11 MM∥NN，显然，点M的坐标为(x,y,0)，点N的坐标为(x,y,0)（如图8-4）．11111122R 2NR1MP 2 x P1OM1Q1NN21Q2y图8-422 2由平面解析几何的两点间距离公式知， M 和 N 的距离为：1 1|M N |(x112x )2 (y1 2y )2 ．1过点 M 作平行于 xOy 平面的平面，交直线 NN 于 N ，则 M N ∥ MN1211坐标为 (x , y , z )，且2212，因此 N 的2|MN 2| |M N | (x1 1 2x )2 (y1 2y )2 ，1在直角三角形 MN 2 N 中，|N N | |z22z |，1所以点 M 与 N 间的距离为d |MN 2| |N N |(x 2 2x )2 (y1 2y )2 (z1 2z )2 ．1例1 设 A ( 1, 2, 0)与 B ( 1, 0, 2)为空间两点，求 A 与 B 两点间的距离．解 由公式（8-1-1）可得， A 与 B 两点间的距离为d[ 1 ( 1)] (0 2)2 ( 2 0)2 2 2 ．例2 在 z 轴上求与点 A (3, 5, 2) 和 B ( 4, 1,5)等距的点 M ．解 由于所求的点 M 在 z 轴上，因而 M 点的坐标可设为 (0, 0,z) ，又由于MAMB ，由公式（8-1-1），得32 52( 2 z)2 ( 4)2 12 (5 z)2 ．从而解得 z2 7 2 ，即所求的点为 M (0, 0, )． 7习题 8-11．讨论空间直角坐标系的八个卦限中的点的坐标的符号．2．在坐标轴上的点和在坐标平面上的点的坐标各有何特点3．在空间直角坐标系中，画出下列各点：A(2,0,0)；B(0,-3,0)；C(3,0,1)；D(3,2,-1)．4．求点(-1,2,3)关于各坐标平面对称的点的坐标．5．求点(1,2,3)关于各坐标轴对称的点的坐标．6．求下列各对点间的距离：(1)A(0,-1,3)与B(2,1,4)；(2)C(-1,4,2)与D(2,7,3)．7．在坐标平面yOz上求与三点A(3,1,2)、B(4,-2,-2)和C(0,5,1)等距的点．8．求点A(12,-3,4)与原点、各坐标平面和各坐标轴的距离．),B(7,1,2),C(5,2,3)为顶点的三角形△ABC是一等腰三角形.9.证明以A(4,3,1第2节空间向量的代数运算空间向量的概念在日常生活中，我们经常会遇到一些量，如质量、时间、面积、温度等，它们在取定一个度量单位后，就可以用一个数来表示．这种只有大小没有方向的量，叫做数量（或标量）．但有一些量，如力、位移、速度、电场强度等，仅仅用一个实数是无法将它们确切表示出来，因为它们不仅有大小，而且还有方向，这种既有大小又有方向的量，叫做向量（或矢量）．在数学上，我们用有向线段AB来表示向量，A称为向量的起点，B称为向量的终点，有向线段的长度就表示向量的大小，有向线段的方向就表示向量的方向．通常在印刷时用黑体小写字母a，b，c，…来表示向量，手写时用带箭头的小写字母a,b,c,来记向量.向量的长度称为向量的模，记作a或AB，模为1的向量叫做单位向量，模为0的向量叫做零向量，记作0，规定：零向量的方向可以是任意的．本章我们讨论的是自由向量，即只考虑向量的大小和方向，而不考虑向量的起点，因此，我们把大小相等，方向相同的向量叫做相等向量，记作a=b.规定：所有的零向量都相等.与向量a大小相等，方向相反的向量叫做a的负向量(或反向量)，记作a．平行于同一直线的一组向量称为平行向量（或共线向量）．平行于同一平面的一组向量，叫做共面向量，零向量与任何共面的向量组共面.向量的线性运算向量的加法我们在物理学中知道力与位移都是向量，求两个力的合力用的是平行四边形法则，我们可以类似地定义两个向量的加法．定义1对向量a，b，从同一起点A作有向线段AB、AD分别表示a与b，然后以AB、AD为邻边作平行四边形ABCD，则我们把从起点A到顶点C的向量AC称为向量a与b的和（图8-5），记作a+b．这种求和方法称为平行四边形法则．a bD Cc=a+bba+b bA aB a图8-5图8-6若将向量b平移，使其起点与向量a的终点重合，则以a的起点为起点，b的终点为终点的向量c就是a与b的和(图8-6），该法则称为三角形法则．多个向量，如a、b、c、d首尾相接，则从第一个向量的起点到最后一个向量的终点的向量就是它们的和a+b+c+d（图8-7）．ba cda+b+c+d图8-7对于任意向量a，b，c，满足以下运算法则：(1)a+b=b+a(交换律)．(2)(a+b)+c=a+(b+c)(结合律)．(3)a+0=a．向量的减法定义2向量a与b的负向量-b的和，称为向量a与b的差，即a-b=a+(-b)．特别地，当b=a时，有a+(-a)=0.由向量减法的定义，我们从同一起点O作有向线段OA，OB分别表示a，b，则a-b=OA-OB=OA+(-OB)=OA+BO=BA．也就是说，若向量a与b的起点放在一起，则a，b的差向量就是以b的终点为起点，以a的终点为终点的向量（图8-8）．a bA baCa-bB图8-8数乘向量定义3实数λ与向量a的乘积是一个向量，记作λa，λa的模是λa，方向：当λ>0时，λa与a同向；当λ<0时，λa与a反向；当λ=0时，λa=0．对于任意向量a，b以及任意实数λ，μ，有运算法则：(1)(λμ)a=λ(μa)．(2)(λ+μ)a=λa+μa．(3)λ(a+b)=λa+λb．向量的加法、减法及数乘向量运算统称为向量的线性运算，λa+μb称为a，b的一个线性组合(λ,μ∈R)．特别地，与a同方向的单位向量叫做a的单位向量，记做e a，即e a=a a.上式表明：一个非零向量除以它的模的结果是一个与原向量同方向的单位向量.例1如图8-9，在平行六面体ABCD—A/B/C/D/中，设AA/=a,AD=b AB=c,试用a,b,c来表示对角线向量AC/,A/C.'D'C' aA'B'AD CB图8-9解AC'=AB+BC+CC'=AB+BC+AA'=a+b+c；AC=A'A+AB+BC=-AA'+AB+AD=a+b+c.由于向量λa与a平行，所以我们通常用数与向量的乘积来说明两个向量的平行关系.即有,定理1向量a与非零向量b平行的充分必要条件是存在一个实数λ，使得a=λb.向量的坐标表示向量在坐标轴上的投影设A为空间中一点，过点A作轴u的垂线，垂足为A'，则A'称为点A在轴u上的投影(图8-10)．图8-10若M为空间直角坐标系中的一点，则M在x轴、y轴、z轴上的投影为A、B、C，如图8-11所示．zCMOB yx A图8-11设向量AB的始点与终点B在轴u的投影分别为A'、B'，那么轴u上的有向线段A'B'的值A'B'叫做向量AB在轴u上的投影，记作prj AB=A'B'，轴u称为u投影轴.图8-12当A'B'与轴u同向时，投影取正号，当A'B'与轴u反向时，投影取负号．注(1)向量在轴上投影是标量．(2)设MN为空间直角坐标系中的一个向量，点M的坐标为(x,y,z)，点N的坐标111为(x,y,z)，显然，向量MN在三个坐标轴上的投影分别为x-x，y-y，z-z．222212121向量的坐标表示取空间直角坐标系O xyz，在x轴、y轴、z轴上各取一个与坐标轴同向的单位向量，依次记作i,j,k，它们称为坐标向量．空间中任一向量a，它都可以唯一地表示为i,j,k数乘之和．事实上，设a=MN，过M、N作坐标轴的投影，如图8-13所示．a=MN=MA+AP+PN=MA+MB+MC．由于MA与i平行，MB与j平行，MC与k平行，所以，存在唯一的实数x,y,z，使得MA=x i，MB=y j，MC=z k，即a=x i+y j+z k．(8-2-1)zCO k AMi jNPByx图8-13我们把(8-2-1)式中i,j,k系数组成的有序数组(x,y,z)叫做向量a的直角坐标，记为a={x,y,z}，向量的坐标确定了，向量也就确定了．显然，(8-2-1)中的x,y,z是向量a分别在x轴、y轴、z轴上的投影．因此，在空间直角坐标系中的向量a的坐标就是该向量在三个坐标轴上的投影组成的有序数组．例2在空间直角坐标系中设点M(-3,1,5)，N(2,-3,1)，求向量MN及NM的直角坐标．解由于向量的坐标即为向量在坐标轴上的投影组成的有序数组，而向量的各投影即为终点坐标与起点坐标对应分量的差．所以向量MN的坐标为{5,-4,-4}，向量NM的坐标为{-5,4,4}．1 点 M 的有向线段 AB 的中点其坐标为 2y =y + y2z =z + z例 3(定比分点公式) 设 A( x , y , z ) 和 B( x , y , z ) 为两已知点，有向线段 AB 上的点1 11222M 将它分为两条有向线段 AM 和 MB ，使它们的值的比等于数 λ(λ ≠ -1) ，即AM= λ ，求分点 M ( x , y , z) 的坐标.MB图 8-14解 如图 8-14，因为 AM与 MB 在同一直线上，且同方向，故 AM = λ ⋅ MB ，而AM = {x - x , y - y , z - z } ， MB = {x - x, y - y , z - z }122222λ M B = {λ( x - x), λ( y - y), λ( z - z)}22 2所以 x - x = λ ( x - x) ， y - y = λ ( y - y) ， z - z = λ ( z - z)1 21212解得x = x + λ ⋅ x y + λ ⋅ y z + λ ⋅ z1 2 , y = 1 2 , z = 11 + λ 1 + λ 1 + λ2 .→当x = x 1 + x 21 21 2向量的模与方向余弦的坐标表示式向量可以用它的模与方向来表示，也可以用它的坐标式来表示，这两种表示法之间的是有联系的.2zRβM 1 γαM 2Q设空间向量 a = M M 与三条坐标轴的正向的夹角120 Py分别为 α , β , γ ，规定： 0 ≤ α ≤ π, 0 ≤ β ≤ π, 0 ≤ γ ≤ π , x称 α , β , γ 为向量 a 的方向角.图 8-15因为向量 a 的坐标就是向量在坐标轴上的投影，因此a = M M ⋅ cos α = a ⋅ cos αx 12a = M M ⋅ cos β = a ⋅ cos β(8-2-2)y12α=2πa=M M⋅cosγ=a⋅cosγz12公式中出现的c osα,cosβ,cosγ称为向量a的方向余弦.而a={a,a,a}={a⋅c osα,a⋅c osβ,a⋅cosγ}x y z=a⋅{cosα,cosβ,cosγ}=a⋅eae={cosα,cosβ,cosγ}是与向量a同方向的单位向量.a而a=M M=(M P)2+(M Q)2+(M R)2，12111M P=a,M Q=a,M R=a，1x1y1z故向量a的模为a=a2+a2+a2(8-2-3)x y z从而向量a的方向余弦为cosα=a xa2+a2+a2x y z ,cosβ=aya2+a2+a2x y z,cosγ=a za2+a2+a2x y z,(8-2-4)并且cos2α+cos2β+cos2γ=1.例4已知两点M(2,2,2)和M(1,3,0),求向量M M的模、方向余弦和方向角.1212解M M=(1-2,3-2,0-2)=(-1,1,-2),12M M12=(-1)2+12+(-2)2=2；112cosα=-,cosβ=,cosγ=-；222π3π,β=,γ=.334例5已知两点A(4,0,5)和B(7,1,3)，求与AB同方向的单位向量e.解因为AB={7-4,1-0,3-5}={3,1,-2},所以AB=32+12+(-2)2=14,于是e={31-2 ,,}. 141414向量的数量积在物理中我们知道，一质点在恒力F的作用下，由A点沿直线移到B点，若力F与位移向量AB的夹角为θ，则力F所作的功为W=|F|⋅|AB|⋅c osθ．类似的情况在其他问题中也经常遇到．由此，我们引入两向量的数量积的概念．定义1设a，b为空间中的两个向量，则数a b cos a,b叫做向量a与b的数量积(也称内积或点积)，记作a⋅b，读作“a点乘b”．即a⋅b=a b cos a,b （8-2-5）其中a,b表示向量a与b的夹角，并且规定0≤a,b≤π．两向量的数量积是一个数量而不是向量，特别地当两向量中一个为零向量时，就有a⋅b=0.由向量数量积的定义易知：(1)a⋅a=a2，因此a =a⋅a．(2)对于两个非零向量a，b，a与b垂直的充要条件是它们的数量积为零，即a⊥b⇔a⋅b=0．注数量积在解决有关长度、角度、垂直等度量问题上起着重要作用．数量积的运算满足如下运算性质：对于任意向量a，b及任意实数λ，有(1)交换律：a⋅b=b⋅a．(2)分配律：a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c．(3)与数乘结合律：(λa)⋅b=λ(a⋅b)=a⋅(λb)．(4)a⋅a≥0当且仅当a=0时，等号成立．例6对坐标向量i，j，k，求i⋅i，j⋅j，k⋅k，i⋅j，j⋅k，k⋅i．解由坐标向量的特点及向量内积的定义得i⋅i=j⋅j=k⋅k=1，i⋅j=j⋅k=k⋅i=0．例7已知a=2，b=3，a,b=2π，求a⋅b，(a-2b)⋅(a+b)，a+b．3解由两向量的数量积定义有21a⋅b=a b cos a,b=2⨯3⨯cos π=2⨯3⨯(-)=-3．32(a-2b)⋅(a+b)=a⋅a+a⋅b-2b⋅a-2b⋅b=a 2-a⋅b-2b2=22-(-3)-2⨯32=-11．a+b 2=(a+b)⋅(a+b)=a⋅a+a⋅b+b⋅a+b⋅b=a2+2a⋅b+b2=22+2⨯(-3)+32=7，因此a+b=7．在空间直角坐标系下，设向量a={x,y,z}，向量b={x,y,z}，即111222a=x i+y j+z k,111b=x i+y j+z k．222则a⋅b=(x i+y j+z k)⋅(x i+y j+z k)111222=x x(i⋅i)+x y(i⋅j)+x z(i⋅k)121212+y x(j⋅i)+y y(j⋅j)+y z(j⋅k)121212+z x(k⋅i)+z y(k⋅j)+z z(k⋅k)．121212由于i⋅i=j⋅j=k⋅k=1，i ⋅ j = j ⋅ k = k ⋅ i = 0 ，所以a ⋅b = x x + y y + z z ．(8-2-6)1 2 1 21 2也就是说，在直角坐标系下，两向量的数量积等于它们对应坐标分量的乘积之和．同样，利用向量的直角坐标也可以求出向量的模、两向量的夹角公式以及两向量垂直的充要条件，即设非零向量 a = {x , y , z } ，向量 b = {x , y , z } ，则1 11222a = a ⋅ a = x 2 + y 2 + z 2 ．(8-2-7)1 1 1cos a,b =a ⋅ b| a || b |=x 1x 2 + y 1 y 2 + z 1z2x 2 + y 2 + z 2 ⨯ x 2 + y 2 + z 111122 2 ． (8-2-8)a ⊥b ⇔ x x + y y + z z = 0 ．(8-2-9)1 2 1 21 2例 8 在空间直角坐标系中，设三点 A(5, - 4, 1) ， B(3, 2, 1) ， C (2, - 5, 0) ．证明: ∆ABC 是直角三角形．证明 由题意可知AB = { - 2, 6, 0} ， AC ={ - 3, - 1, - 1} ，则AB ⋅ AC = (-2) ⨯ (-3) + 6 ⨯ (-1) + 0 ⨯ (-1) = 0 ，所以AB ⊥ AC ．即 ∆ABC 是直角三角形．向量的向量积在物理学中我们知道，要表示一外力对物体的转动所产生的影响，我们用力矩的概念来描述．设一杠杆的一端O固定，力F作用于杠杆上的点A处，F与OA的夹角为θ，则杠杆在F的作用下绕O点转动，这时，可用力矩M来描述．力F对O的力矩M是个向量，M的大小为|M|=|OA||F|sin OA,F．M的方向与O A及F都垂直，且O A，F，M成右手系，如图8-16所示．MFO Aθ图8-16向量积的定义在实际生活中，我们会经常遇到象这样由两个向量所决定的另一个向量，由此，我们引入两向量的向量积的概念．定义2设a，b为空间中的两个向量，若由a，b所决定的向量c，其模为c=a b sin a,b．(8-2-10)其方向与a，b均垂直且a，b，c成右手系（如图8-17），则向量c叫做向量a与b的向量积(也称外积或叉积)．记作a⨯b，读作“a叉乘b”．注(1)两向量a与b的向量积a⨯b是一个向量，其模a⨯b的几何意义是以a，b为邻边的平行四边形的面积．(2)a⨯a=0这是因为夹角θ=0，所以a⨯a=0图8-17(3)对两个非零向量a与b，a与b平行(即平行)的充要条件是它们的向量积为零向量．a∥b⇔a⨯b=0．向量积的运算满足如下性质：对任意向量a，b及任意实数λ，有(1)反交换律：a⨯b=-b⨯a．(2)分配律:a⨯(b+c)=a⨯b+a⨯c，(a+b)⨯c=a⨯c+b⨯c．(3)与数乘的结合律：(λa)⨯b=λ(a⨯b)=a⨯(λb)．例9对坐标向量i，j，k，求i⨯i，j⨯j，k⨯k，i⨯j，j⨯k，k⨯i．解i⨯i=j⨯j=k⨯k=0．i⨯j=k，j⨯k=i，k⨯i=j．向量积的直角坐标运算在空间直角坐标系下，设向量a={x,y,z}，向量b={x,y,z}，即111222a=x i+y j+z k，b=x i+y j+z k，111222因为i⨯i=j⨯j=k⨯k=0．i⨯j=k，j⨯k=i，k⨯i=j，j⨯i=-k，k⨯j=-i，i⨯k=-j．则a⨯b=(x i+y j+z k)⨯(x i+y j+z k)111222=x x(i⨯i)+x y(i⨯j)+x z(i⨯k)121212+y x(j⨯i)+y y(j⨯j)+y z(j⨯k)121212+z x(k⨯i)+z y(k⨯j)+z z(k⨯k)121212=(x y-y x)(i⨯j)+(y z-z y)(j⨯k)-(x z-z x)(k⨯i)121212121212yx(-2)2+12+32{-2,1,3}={-=(y z-z y)i-(x z-z x)j+(x y-y x)k．121212121212为了便于记忆，借助于线性代数中的二阶行列式及三阶行列式有a⨯b=y1y2z1i-z2x1x2z1j+z2x1x2iy1k=x122jy1y2kz．1z2注设两个非零向量a={x,y,z}，b={x,y,z}，则111222a∥b⇔a⨯b=0，⇔x1=x2y1=y2z1．z2若某个分母为零，则规定相应的分子为零．例10设向量a={1,-2,-1}，b={2,0,1}，求a⨯b的坐标．i j k 解a⨯b=1-2-1=201-2-11-11-2i-j+k=-2i-3j+4k．012120因此a⨯b的直角坐标为{-2,-3,4}．例11在空间直角坐标系中，设向量a={3,0,2}，b={-1,1,-1}，求同时垂直于向量a与b的单位向量．解设向量c=a⨯b，则c同时与a，b垂直．而i c=a⨯b=3jk2=-2i+j+3k，所以向量c的坐标为{-2,1,3}．再将c单位化，得c=10-11-1213,,}，141414即{-213,,}与{141414213,-,-}为所求的向量．141414例12在空间直角坐标系中，设点A(4,-1,2)，B(1,2,-2)，C(2,0,1)，求∆ABC(a ⨯ b )⋅ c 或 ⎡abc ⎤ .那么⎡abc ⎤ = X的面积．解由两向量积的模的几何意义知：以AB 、 AC 为邻边的平行四边形的面积为AB ⨯ AC ，由于AB = {-3, 3, - 4} ， AC = {-2, 1, - 1} ，因此i j kAB ⨯ AC = -3 3 -4 = i + 5 j + 3k ，-2 1 -1所以AB ⨯ AC = 12 + 52 + 32 = 35 ．故 ∆ABC 的面积为 S ∆ABC = 35 2．向量的混合积定义 3给定空间三个向量 a, b , c ，如果先作前两个向量 a 与 b 的向量积，再作所得的向量与第三个向量 c 的数量积，最后得到的这个数叫做三向量a, b , c 的 混合积 ，记做⎣⎦说明：三个不共面向量 a, b , c 的混合积的绝对值等于以 a , b , c 为棱的平行六面体的体积V .定理 如果 a = X i + Y j + Z k ， b = X i + Y j + Z k ， c = X i + Y j + Z k ，1 11222333⎣ ⎦ X X 12 3Y 1 Y 2 Y 3Z1 Z . 2Z3习题 8-21.设ABCD 为一平行四边形, AB = a , AD = b.试用a , b 表示 A C, DB, MA(M 为平行 四边形对角线的交点).2.设M为线段AB的中点,O为空间中的任意一点,证明O M=(OA+OB).6.a=(3,-2,2),b=(1,3,2),c=(8,6,-2),求3a-2b+ c.(3)123.对于任意三个向量a,b与c,判断下列各式是否成立?(1)(a b)c=(b c)a;(2)(a b)2=a2b2;(3)a(b⨯c)=(c⨯a)b.4.利用向量证明:(1)三角形的余弦定理;(2)正弦定理；勾股定理.5.设a,b,c为单位向量,且满足a+b+c=0,求a b+b c+c a.127.已知三点A=(4,2,1),B=(3,0,2),求AB的坐标、模、方向余弦和方向角.8.一向量的终点在点B(2,-1,7),它在x轴、y轴和z轴上的投影依次为4，-4和7.求这向量的起点A的坐标.9．设a=2，b=4，a,b=π，求a⋅b，(2a-b)⋅b，a-b．310．设向量a，b，c两两垂直，且a=1，b=2，c=3，求向量d=a+b+c的模及d,a．11．在空间直角坐标系中，已知a={-1,2,3}，b={2,-2,1}，求：(1)a⋅b；(2)2a⋅5b；(3)a；(4)cos a,b．12.已知向量a=2i-3j+k,b=i-j+3k和c=i-2j,，计算（1）(a b)c-(a c)b;（2）(a+b)⨯(b+c);（3）(a⨯b)c.13．设向量a，b的直角坐标分别为{-1,3,-2}和{2,-4,k}，若a⊥b，求k的值．14．设向量a={2,1,-1}，b={-1,3,0}，求以a、b为邻边构造的平行四边形面积．15．求同时垂直于向量a={3,-2,4}和纵轴的单位向量．16．已知三角形三个顶点A(4,-1,2)，B(3,0,-1)，C(5,1,2)，求∆ABC的面积．第3节空间中的平面与直线方程在本节我们以向量为工具，在空间直角坐标系中讨论最简单的曲面和曲线——平面和直线.平面及其方程首先利用向量的概念，在空间直角坐标系中建立平面的方程，下面我们将给出几种由不同条件所确定的平面的方程．平面的点法式方程若一个非零向量n垂直于平面π，则称向量n为平面π的一个法向量．显然，若n是平面π的一个法向量，则λn(λ为任意非零实数)都是π的法向量，即平面上的任一向量均与该平面的法向量垂直．由立体几何知识知道，过一个定点M(x,y,z)且垂直于一个非零向量0000n={A,B,C}有且只有一个平面π．设M(x,y,z)为平面π上的任一点，由于n⊥π，因此n⊥M M．由两向量垂直的充要条件，得n⋅M M=0,而M M={x-x,y-y,z-z}，n={A,B,C}，0000所以可得A(x-x)+B(y-y)+C(z-z)=0．(8-3-1)000由于平面π上任意一点M(x,y,z)都满足方程(8-3-1)，而不在平面π上的点都不满足方程(8-3-1)，因此方程(8-3-1)就是平面π的方程．由于方程(8-3-1)是给定点M(x,y,z)和法向量n={A,B,C}所确定的，因而称0000式(8-3-1)叫做平面π的点法式方程．图8-18例1求通过点M(1,-2,4)且垂直于向量n={3,-2,1}的平面方程．解由于n={3,-2,1}为所求平面的一个法向量，平面又过点M(1,-2,4)，所以，由平面的点法式方程(6-14)可得所求平面的方程为3(x-1)-2⋅(y+2)+1⋅(z-4)=0，整理，得3x-2y+z-11=0．例2求过三点M(2,-1,4)，M12(-1,3,-2)，M(0,2,3)的平面π的方程．3解所求平面π的法向量必定同时垂直于M M与M M．因此可取M M与M M1213121的向量积M M⨯M M为该平面的一个法向量n．即1213n=M M⨯M M．1213由于M M={-3,4,-6}，M M={-2,3,-1}，1213因此i j kn=M M⨯M M=-34-61213-23-1=14i+9j-k,,因此所求平面π的方程为14(x-2)+9(y+1)-(z-4)=0，化简得314x+9y-z-15=0.一般地，过三点M(x,y,z)(k=1,2,3)的平面方程为k k k kx-x1 x-x21 x-x31y-y1y-y21y-y31z-z1z-z=021z-z31称为平面的三点式方程。
同济大学_第八章_向量代数与解析几何
同济大学(高等数学)_第八章_向量代数与解析几何(总62页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第五篇 向量代数与空间解析几何第八章 向量代数与空间解析几何解析几何的基本思想是用代数的方法来研究几何的问题，为了把代数运算引入几何中来，最根本的做法就是设法把空间的几何结构有系统的代数化，数量化. 平面解析几何使一元函数微积分有了直观的几何意义，所以为了更好的学习多元函数微积分，空间解析几何的知识就有着非常重要的地位.本章首先给出空间直角坐标系，然后介绍向量的基础知识，以向量为工具讨论空间的平面和直线，最后介绍空间曲面和空间曲线的部分内容.第1节 空间直角坐标系空间直角坐标系用代数的方法来研究几何的问题，我们需要建立空间的点与有序数组之间的联系，为此我们通过引进空间直角坐标系来实现.空间直角坐标系过定点O ，作三条互相垂直的数轴，这三条数轴分别叫做x 轴(横轴）、y 轴(纵轴)、z 轴(竖轴)，它们都以O 为原点且具有相同的长度单位. 通常把x 轴和y 轴配置在水平面上，而z 轴则是铅垂线；它们的正方向要符合右手规则：右手握住z 轴，当右手的四指从x 轴的正向转过2角度指向y 轴正向时，大拇指的指向就是z 轴的正向，这样就建立了一个空间直角坐标系（图8-1），称为Oxyz 直角坐标系，点O 叫做坐标原点.图8-1在Oxyz 直角坐标系下，数轴Ox ,Oy ,Oz 统称为坐标轴，三条坐标轴中每两条可以确定一个平面，称为坐标面，分别为xOy ，yOz ，zOx ，三个坐标平面yxzO将空间分为八个部分，每一部分叫做一个卦限（图8-2），分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ表示.图8-2空间点的直角坐标设M 为空间中的任一点，过点M 分别作垂直于三个坐标轴的三个平面，与x 轴、y 轴和z 轴依次交于A 、B 、C 三点，若这三点在x 轴、y 轴、z 轴上的坐标分别为x ，y ，z ，于是点M 就唯一确定了一个有序数组(, , )x y z ，则称该数组(, , )x y z 为点M 在空间直角坐标系Oxyz 中的坐标，如图8-3．x ，y ，z 分别称为点M 的横坐标、纵坐标和竖坐标．图8-3反之，若任意给定一个有序数组(, , )x y z ，在x 轴、y 轴、z 轴上分别取坐标为x ，y ，z 的三个点A 、B 、C ，过这三个点分别作垂直于三个坐标轴的平yxzO yxz A B C(,,)M x y z面，这三个平面只有一个交点M ，该点就是以有序数组(, , )x y z 为坐标的点，因此空间中的点M 就与有序数组(, , )x y z 之间建立了一一对应的关系．注：A 、B 、C 这三点正好是过M 点作三个坐标轴的垂线的垂足．空间中两点之间的距离设两点111(, , )M x y z ，222(, , )N x y z ，则M 与N 之间的距离为212212212)()()(z z y y x x d -+-+-= （8-1-1）事实上，过点M 和N 作垂直于xOy 平面的直线，分别交xOy 平面于点1M 和1N ，则1MM ∥1NN ，显然，点1M 的坐标为11(, , 0)x y ，点1N 的坐标为22(, , 0)x y （如图8-4）．图8-4由平面解析几何的两点间距离公式知，1M 和1N 的距离为：21221211)()(||y y x x N M -+-=．过点M 作平行于xOy 平面的平面，交直线1NN 于2N ，则11M N ∥2MN ，因此2N 的坐标为221(, , )x y z ，且212212112)()(||||y y x x N M MN -+-==，在直角三角形N MN 2中，||||122z z N N -=，所以点M 与N 间的距离为2122122122222)()()(||||z z y y x x N N MN d -+-+-=+=．例1 设(1, 2, 0)A -与(1, 0, 2)B --为空间两点，求A 与B 两点间的距离． 解 由公式（8-1-1）可得，A 与B 两点间的距离为d ==例2 在z 轴上求与点(3, 5, 2)A -和(4, 1, 5)B -等距的点M ．解 由于所求的点M 在z 轴上，因而M 点的坐标可设为(0, 0, )z ，又由于MA MB =，由公式（8-1-1），得222222)5(1)4()2(53z z -++-=--++．从而解得72=z ，即所求的点为2(0, 0, )7M ．习题8-11．讨论空间直角坐标系的八个卦限中的点的坐标的符号． 2．在坐标轴上的点和在坐标平面上的点的坐标各有何特点？ 3．在空间直角坐标系中，画出下列各点：(2, 0, 0)A ；(0, 3, 0)B -；(3, 0, 1)C ；(3, 2, 1)D -． 4．求点(1, 2, 3)-关于各坐标平面对称的点的坐标． 5．求点(1, 2, 3)关于各坐标轴对称的点的坐标． 6．求下列各对点间的距离： (1) (0, 1, 3)A -与(2, 1, 4)B ；(2) (1, 4, 2)C -与D(2, 7, 3)．7．在坐标平面yOz上求与三点(3, 1, 2)C等距A、(4,2,2)B--和(0, 5, 1)的点．8．求点(12,3, 4)A-与原点、各坐标平面和各坐标轴的距离．A4,3,1,B7,1,2,C5,2,3为顶点的三角形△ABC是一等腰三角9. 证明以()()()形.第2节空间向量的代数运算空间向量的概念在日常生活中，我们经常会遇到一些量，如质量、时间、面积、温度等，它们在取定一个度量单位后，就可以用一个数来表示．这种只有大小没有方向的量，叫做数量（或标量）．但有一些量，如力、位移、速度、电场强度等，仅仅用一个实数是无法将它们确切表示出来，因为它们不仅有大小，而且还有方向，这种既有大小又有方向的量，叫做向量（或矢量）．在数学上，我们用有向线段AB来表示向量，A称为向量的起点，B称为向量的终点，有向线段的长度就表示向量的大小，有向线段的方向就表示向量的方向．通常在印刷时用黑体小写字母a，b，c，…来表示向量，手写时用带箭头的小写字母, ,,a b c来记向量.向量的长度称为向量的模，记作a或AB，模为1的向量叫做单位向量，模为0的向量叫做零向量，记作0，规定：零向量的方向可以是任意的．本章我们讨论的是自由向量，即只考虑向量的大小和方向，而不考虑向量的起点，因此，我们把大小相等，方向相同的向量叫做相等向量，记作a=b.规定：所有的零向量都相等.与向量a大小相等，方向相反的向量叫做a的负向量(或反向量)，记作a．平行于同一直线的一组向量称为平行向量（或共线向量）．平行于同一平面的一组向量，叫做共面向量，零向量与任何共面的向量组共面.向量的线性运算向量的加法我们在物理学中知道力与位移都是向量，求两个力的合力用的是平行四边形法则，我们可以类似地定义两个向量的加法．定义1对向量a，b，从同一起点A作有向线段AB、AD分别表示a与b，然后以AB、AD为邻边作平行四边形ABCD，则我们把从起点A到顶点C 的向量AC称为向量a与b的和（图8-5），记作a+b．这种求和方法称为平行四边形法则．图8-5 图8-6若将向量b 平移，使其起点与向量a 的终点重合，则以a 的起点为起点，b 的终点为终点的向量c 就是a 与b 的和(图8-6），该法则称为三角形法则．多个向量，如a 、b 、c 、d 首尾相接，则从第一个向量的起点到最后一个向量的终点的向量就是它们的和a +b +c +d （图8-7）．图8-7对于任意向量a ，b ，c ，满足以下运算法则： (1) a +b =b +a (交换律)．(2) ()()a +b +c =a +b +c (结合律)． (3) 0a +=a ．向量的减法定义2 向量a 与b 的负向量-b 的和，称为向量a 与b 的差，即()--a b =a +b ．特别地，当b =a 时，有()-0a +a =.abcda+b +c +da b Cabc =a +b由向量减法的定义，我们从同一起点O 作有向线段OA ，OB 分别表示a ，b ，则()OA OB OA OB --=+-a b =OA BO BA =+=．也就是说，若向量a 与b 的起点放在一起，则a ，b 的差向量就是以b 的终点为起点，以a 的终点为终点的向量（图8-8）．图8-8数乘向量定义3 实数λ与向量a 的乘积是一个向量，记作λa ，λa 的模是λa ，方向：当0λ>时，λa 与a 同向；当0λ<时，λa 与a 反向；当0λ=时，λ0a =．对于任意向量a ，b 以及任意实数λ，μ，有运算法则： (1) ()()λμλμa =a ． (2) ()+λμλμ+a =a a ．(3) ()+λλλ+a b =a b ．向量的加法、减法及数乘向量运算统称为向量的线性运算，λμa +b 称为a ，b 的一个线性组合(, )R λμ∈．aabb -a b BAC特别地，与 a 同方向的单位向量叫做a 的单位向量，记做a e ，即aa e a=.上式表明：一个非零向量除以它的模的结果是一个与原向量同方向的单位向量.例1 如图8-9，在平行六面体///ABCD B C D /—A 中，设/=AA ,a AD =b AB =c ,试用,,a b c 来表示对角线向量//,.AC A C图8-9解 ''AC AB BC CC =++'AB BC AA =++a b c =++；'''AC A A AB BC AA AB AD =++=-++a b c =++.由于向量λa 与a 平行，所以我们通常用数与向量的乘积来说明两个向量的平行关系.即有,定理1 向量a 与非零向量b 平行的充分必要条件是存在一个实数λ，使得λa =b .向量的坐标表示向量在坐标轴上的投影设A 为空间中一点，过点A 作轴u 的垂线，垂足为'A ，则'A 称为点A 在轴u 上的投影(图8-10)．图8-10若M 为空间直角坐标系中的一点，则M 在x 轴、y 轴、z 轴上的投影为A 、B 、C ，如图8-11所示．图8-11设向量AB 的始点与终点B 在轴u 的投影分别为A '、B '，那么轴u 上的有向线段A B ''的值A B ''叫做向量AB 在轴u 上的投影，记作u prj AB A B ''=，轴u 称为投影轴.图8-12当A B ''与轴u 同向时，投影取正号，当A B ''与轴u 反向时，投影取负号． 注 (1) 向量在轴上投影是标量．yxzOA B CM(2) 设MN 为空间直角坐标系中的一个向量，点M 的坐标为111(, , )x y z ，点N 的坐标为222(, , )x y z ，显然，向量MN 在三个坐标轴上的投影分别为12x x -，12y y -，12z z -． 向量的坐标表示取空间直角坐标系Oxyz ，在x 轴、y 轴、z 轴上各取一个与坐标轴同向的单位向量，依次记作, , i j k ，它们称为坐标向量．空间中任一向量a ，它都可以唯一地表示为, , i j k 数乘之和． 事实上，设MN a =，过M 、N 作坐标轴的投影，如图8-13所示．MN =MA+AP +PN =MA+MB +MC a =．由于MA 与i 平行，MB 与j 平行，MC 与k 平行，所以，存在唯一的实数, , x y z ，使得MA x =i ，MB y =j ，MC z =k ，即x y z a =i +j +k ． (8-2-1)图 8-13我们把(8-2-1)式中, , i j k 系数组成的有序数组(, , )x y z 叫做向量a 的直角坐标，记为{, , }x y z a =，向量的坐标确定了，向量也就确定了．显然，(8-2-1)中的, , x y z 是向量a 分别在x 轴、y 轴、z 轴上的投影．因此，在空间直角坐标系中的向量a 的坐标就是该向量在三个坐标轴上的投影组成的有序数组．例2 在空间直角坐标系中设点(3, 1, 5)M -，(2, 3, 1)N -，求向量MN 及NM 的直角坐标．解 由于向量的坐标即为向量在坐标轴上的投影组成的有序数组，而向量的各投影即为终点坐标与起点坐标对应分量的差．所以向量MN 的坐标为{5, 4, 4}--，向量NM 的坐标为{5, 4, 4}-． 例3(定比分点公式) 设111(,,)A x y z 和222(,,)B x y z 为两已知点，有向线段AB 上的点M 将它分为两条有向线段AM 和MB ，使它们的值的比等于数(1)λλ≠-，即AMMBλ=，求分点(,,)M x y z 的坐标. 图8-14解 如图8-14，因为AM 与MB 在同一直线上，且同方向，故AM MB λ=⋅，而122{,,}AM x x y y z z =---， 222{,,}MB x x y y z z =--- 222{(),(),()}MB x x y y z z λλλλ=---所以 12()x x x x λ-=-，12()y y y y λ-=-，12()z z z z λ-=- 解得121212,,.111x x y y z z x y z λλλλλλ+⋅+⋅+⋅===+++当λ=1, 点M 的有向线段→AB 的中点, 其坐标为221x x x +=, 221yy y +=, 221z z z +=. 向量的模与方向余弦的坐标表示式向量可以用它的模与方向来表示，也可以用它的坐标式来表示，这两种表示法之间的是有联系的.设空间向量12a M M =与三条坐标轴的正向的夹角分别为,,αβγ，规定：0,0,0απβπγπ≤≤≤≤≤≤,称,,αβγ为向量a 的方向角.图8-15因为向量a 的坐标就是向量在坐标轴上的投影，因此12cos cos x a M M a αα=⋅=⋅ 12cos cos y a M M a ββ=⋅=⋅ 12cos cos z a M M a γγ=⋅=⋅公式中出现的cos ,cos ,cos αβγ方向余弦.而{,,}{cos ,cos ,cos }x y z a a a a a a a αβγ==⋅⋅⋅{cos ,cos ,cos }a a a e αβγ=⋅=⋅{cos ,cos ,cos }a e αβγ=是与向量a 同方向的单位向量.而 a =M M =12,,x y z M P a M Q a M R a ===111，故向量a 的模为 xa a a =+2(8-2-3)从而向量a 的方向余弦为cos a αβγ===(8-2-4)并且 222cos cos cos 1αβγ++=.例4 已知两点1M 和()21,3,0M ,求向量12M M的模、方向余弦和方向角.解 12(12,32,0(1,1,M M =--=-2)2(1)1(222=-++-=；11cos ,cos ,cos 222αβγ=-==-； 23,,334πππαβγ===. 例5 已知两点(4,0,5)A 和(7,1,3)B ，求与AB 同方向的单位向量e . 解 因为{74,10,35}{3,1,2},AB =---=-所以 23AB ==于是{}.e =向量的数量积在物理中我们知道，一质点在恒力F 的作用下，由A 点沿直线移到B 点，若力F 与位移向量AB 的夹角为θ，则力F 所作的功为||||cos W F AB θ=⋅⋅．类似的情况在其他问题中也经常遇到．由此，我们引入两向量的数量积的概念．定义1 设a ，b 为空间中的两个向量，则数cos ,a b a b叫做向量a 与b 的数量积(也称内积或点积)，记作⋅a b ，读作“a 点乘b ”．即cos ,⋅a b =a b a b （8-2-5）其中,a b 表示向量a 与b 的夹角，并且规定0, π≤≤a b ．两向量的数量积是一个数量而不是向量，特别地当两向量中一个为零向量时，就有0⋅a b =.由向量数量积的定义易知： (1) 2⋅a a =a ，因此=a(2) 对于两个非零向量a ，b ，a 与b 垂直的充要条件是它们的数量积为零，即⊥a b ⇔0⋅a b =．注 数量积在解决有关长度、角度、垂直等度量问题上起着重要作用． 数量积的运算满足如下运算性质： 对于任意向量a ，b 及任意实数λ，有 (1) 交换律：⋅⋅a b =b a ．(2) 分配律：()⋅⋅⋅a b +c =a b +a c ．(3) 与数乘结合律：()()()λλλ⋅⋅=⋅a b =a b a b ． (4) 0⋅≥a a 当且仅当0a =时，等号成立．例6 对坐标向量i ，j ，k ，求⋅i i ，⋅j j ，⋅k k ，⋅i j ，⋅j k ，⋅k i ． 解 由坐标向量的特点及向量内积的定义得1⋅⋅⋅i i =j j =k k =， 0⋅⋅⋅i j =j k =k i =．例7 已知2=a ，3=b ，2, 3π=a b ，求a b ⋅，(2)()-+a b a b ⋅，+a b ．解 由两向量的数量积定义有2cos , 23cos 3π⋅=⨯⨯a b =a b a b 123()=32=⨯⨯--．(2)()=22-⋅+⋅⋅-⋅-⋅a b a b a a +a b b a b b22=2-⋅-a a b b 222(3)23=11=---⨯-．2()()+=⋅+a b a +b a b =⋅⋅+⋅+⋅a a +a b b a b b222=+⋅+a a b b2222(3)3=7=+⨯-+，因此+=a b ．在空间直角坐标系下，设向量111{,,}x y z a =，向量222{,,}x y z b =，即111x y z ++a =i j k , 222x y z ++b =i j k ．则111222()()x y z x y z ⋅++⋅++a b =i j k i j k121212()()+()x x x y x z ⋅+⋅⋅=i i i j i k 121212()()+()y x y y y z ⋅+⋅⋅+j i j j j k 121212()()+()z x z y z z ⋅+⋅⋅+k i k j k k ．1⋅⋅⋅i i =j j =k k =， 0⋅⋅⋅i j =j k =k i =，所以121212x x y y z z ⋅++a b =． (8-2-6)也就是说，在直角坐标系下，两向量的数量积等于它们对应坐标分量的乘积之和．同样，利用向量的直角坐标也可以求出向量的模、两向量的夹角公式以及两向量垂直的充要条件，即设非零向量111{,,}x y z a =，向量222{,,}x y z b =，则==a (8-2-7)cos ||||⋅=a ba,b a b=． (8-2-8)⊥a b ⇔1212120x x y y z z ++=． (8-2-9)例8 在空间直角坐标系中，设三点(5, 4, 1)A -，(3, 2, 1)B ，(2, 5, 0)C -．证明:ABC ∆是直角三角形．证明 由题意可知{2, 6, 0}AB =-，={3, 1, 1}AC ---，则(2)(3)6(1)0(1)0AB AC ⋅=-⨯-+⨯-+⨯-=，AB AC ⊥．即ABC ∆是直角三角形．向量的向量积在物理学中我们知道，要表示一外力对物体的转动所产生的影响，我们用力矩的概念来描述．设一杠杆的一端O 固定，力F 作用于杠杆上的点A 处，F 与OA 的夹角为θ，则杠杆在F 的作用下绕O 点转动，这时，可用力矩M 来描述．力F 对O 的力矩M 是个向量，M 的大小为||||||sin OA OA =M F ,F ．M 的方向与OA 及F 都垂直，且OA ，F ，M 成右手系，如图8-16所示．图8-16向量积的定义在实际生活中，我们会经常遇到象这样由两个向量所决定的另一个向量，由此，我们引入两向量的向量积的概念．定义2 设a ，b 为空间中的两个向量，若由a ，b 所决定的向量c ，其模为sin , c =a b a b ． (8-2-10)其方向与a ，b 均垂直且a ，b ，c 成右手系（如图8-17），则向量c 叫做向量a 与b 的向量积(也称外积或叉积)．记作⨯a b ，读作“a 叉乘b ”．FOMθ注 (1) 两向量a 与b 的向量积⨯a b 是一个向量，其模⨯a b 的几何意义是以a ，b 为邻边的平行四边形的面积．(2)⨯0a a =这是因为夹角θ=0，所以⨯0a a = 图8-17(3)对两个非零向量a 与b ，a 与b 平行(即平行)的充要条件是它们的向量积为零向量．a ∥b ⇔⨯0a b =．向量积的运算满足如下性质： 对任意向量a ，b 及任意实数λ，有 (1) 反交换律：⨯-⨯a b =b a ． (2) 分配律: ()⨯⨯⨯a b +c =a b +a c ，()⨯⨯⨯a +b c =a c +b c ．(3) 与数乘的结合律：()()()λλλ⨯⨯⨯a b =a b =a b ．例9 对坐标向量i ，j ，k ，求⨯i i ，⨯j j ，⨯k k ，⨯i j ，⨯j k ，⨯k i ．解 ⨯⨯⨯0i i =j j =k k =．⨯i j =k ，⨯j k =i ，⨯k i =j ．向量积的直角坐标运算在空间直角坐标系下，设向量111{, , }x y z a =，向量222{, , }x y z b =，即111x y z ++a =i j k ，222x y z ++b =i j k ，因为⨯⨯⨯0i i =j j =k k =． ⨯i j =k ，⨯j k =i ，⨯k i =j ， ⨯-j i =k ，⨯-k j =i ，⨯-i k =j ．则111222()()x y z x y z ⨯++⨯++a b =i j k i j k121212()()+()x x x y x z ⨯+⨯⨯=i i i j i k 121212()()+()y x y y y z ⨯+⨯⨯+j i j j j k 121212()()+()z x z y z z ⨯+⨯⨯+k i k j k k121212121212()()+()()()()x y y x y z z y x z z x -⨯-⨯--⨯=i j j k k i 121212121212()()+()y z z y x z z x x y y x ----=i j k ．为了便于记忆，借助于线性代数中的二阶行列式及三阶行列式有111111222222y z x z x y y z x z x y ⨯-a b =i j +k 111222x y z x y z =i j k ． 注 设两个非零向量111{, , }x y z a =，222{, , }x y z b =，则a ∥b ⇔⨯0a b =，⇔212121z z y y x x ==． 若某个分母为零，则规定相应的分子为零．例10 设向量{1,2,1}--a =，{2,0,1}b =，求⨯a b 的坐标．解 21111212101212201----⨯--=-ijka b =i j +k 234=--i j +k ．因此⨯a b 的直角坐标为{2, 3, 4}--．例11 在空间直角坐标系中，设向量{3, 0, 2}a =，{1, 1, 1}--b =，求同时垂直于向量a 与b 的单位向量．解 设向量⨯c =a b ，则c 同时与a ，b 垂直．而302111⨯--ij kc =a b =23=-+i j +k ，所以向量c 的坐标为{2, 1, 3}-．再将c 单位化，得02,1,3}={=-c ，即{与-- 为所求的向量． 例12 在空间直角坐标系中，设点(4, 1, 2)A -，(1, 2, 2)B -，(2, 0, 1)C ，求ABC ∆的面积．解 由两向量积的模的几何意义知：以AB 、AC 为邻边的平行四边形的面积为AB AC ⨯，由于{3, 3, 4}AB =--，{2, 1, 1}AC =--，因此33453211AB AC ⨯=--=++--ijki j k ，所以21AB AC ⨯==故ABC ∆的面积为235=∆ABC S ．向量的混合积定义3 给定空间三个向量,,a b c ，如果先作前两个向量a 与b 的向量积，再作所得的向量与第三个向量c 的数量积，最后得到的这个数叫做三向量,,a b c的混合积，记做()a b c ⨯⋅或abc ⎡⎤⎣⎦.说明：三个不共面向量,,a b c 的混合积的绝对值等于以,,a b c 为棱的平行六面体的体积V .定理 如果111a X i Y j Z k =++，222b X i Y j Z k =++，333c X i Y j Z k =++，那么 111222333.X Y Z abc X Y Z X Y Z ⎡⎤=⎣⎦ 习题8-21.,,,,,().ABCD AB AD AC DB MA M ==设为一平行四边形试用表示为平行四边形对角线的交点a b.a b12.,().2M AB O OM OA OB =+设为线段的中点,为空间中的任意一点证明 2223.?(1)()();(2)();(3)()().==⨯=⨯对于任意三个向量与判断下列各式是否成立a,b c,a b c b c a a b a b a b c c a b4.:(1);(2)(3).利用向量证明三角形的余弦定理正弦定理；勾股定理5.设,,a b c 为单位向量,且满足0a b c ++=,求.a b b c c a ++6.1(3,2,2),(1,3,2),(8,6,2),322a b c a b+ c.求=-==--7.已知三点(3,0,2),A B AB ==求的坐标、模、方向余弦和方向角.8.一向量的终点在点B(2,-1,7),它在x 轴、y 轴和z 轴上的投影依次为4，-4和7.求这向量的起点A 的坐标.9．设2=a ，4=b ，3πa,b =，求⋅a b ，(2)-⋅a b b ，-a b ． 10．设向量a ，b ，c 两两垂直，且1=a ，2=b ，3=c ，求向量d =a +b +c 的模及d,a ．11．在空间直角坐标系中，已知{1,2,3}-a = ，{2,2,1}-b = ，求： (1) ⋅a b ；(2) 25⋅a b ；(3) a ；(4) cos a,b ．12.已知向量2332和,,a i j k b i j k c i j =-+=-+=-，计算 （1）()();a b c a c b -（2）()();a b b c +⨯+（3）()a b c ⨯.13．设向量a ，b 的直角坐标分别为{1, 3, 2}--和{2, 4, }k -，若a b ⊥，求k 的值．14．设向量{2, 1, 1}-a =，{1, 3, 0}-b =，求以、a b 为邻边构造的平行四边形面积．15．求同时垂直于向量{3, 2, 4}-a =和纵轴的单位向量．16．已知三角形三个顶点(4, 1, 2)A -，(3, 0, 1)B -，(5, 1, 2)C ，求ABC ∆的面积．第3节 空间中的平面与直线方程在本节我们以向量为工具，在空间直角坐标系中讨论最简单的曲面和曲线——平面和直线.平面及其方程首先利用向量的概念，在空间直角坐标系中建立平面的方程，下面我们将给出几种由不同条件所确定的平面的方程．平面的点法式方程若一个非零向量n 垂直于平面π，则称向量n 为平面π的一个法向量． 显然，若n 是平面π的一个法向量，则λn (λ为任意非零实数)都是π的法向量，即平面上的任一向量均与该平面的法向量垂直．由立体几何知识知道，过一个定点0000(, , )M x y z 且垂直于一个非零向量{, , }A B C n =有且只有一个平面π．设(, , )M x y z 为平面π上的任一点，由于π⊥n ，因此0M M ⊥n ．由两向量垂直的充要条件，得00M M =⋅n ,而0000{, , }M M x x y y z z =---，{, , }A B C n =，所以可得0)()()(000=-+-+-z z C y y B x x A ． (8-3-1)由于平面π上任意一点(, , )M x y z 都满足方程(8-3-1)，而不在平面π上的点都不满足方程(8-3-1)，因此方程(8-3-1)就是平面π的方程．由于方程(8-3-1)是给定点0000(, , )M x y z 和法向量{, , }A B C n =所确定的，因而称式(8-3-1)叫做平面π的点法式方程．图8-18例1 求通过点0(1, 2, 4)M -且垂直于向量{3, 2, 1}-n =的平面方程． 解 由于{3, 2, 1}-n =为所求平面的一个法向量，平面又过点0(1, 2, 4)M -，所以，由平面的点法式方程(6-14)可得所求平面的方程为3(1)2(2)1(4)=0x y z --⋅++⋅-，整理，得32110x y z -+-=．例2 求过三点()12,1,4M -，()2M 1,3,2--，()3M 0,2,3 的平面π的方程． 解 所求平面π的法向量必定同时垂直于12M M 与13M M ．因此可取12M M 与13M M 的向量积1213M M M M ⨯为该平面的一个法向量n ．即1213n =M M M M ⨯．由于12{3, 4, 6}M M =--，13{2, 3, 1}M M =--，因此1213-631ij kn =M M M M =342⨯---149i j k,=+-,因此所求平面π的方程为0419214=--++-)()()(z y x ，化简得.015914=--+z y x一般地，过三点(,,)(1,2,3)k k k k M x y z k =的平面方程为1112121213131310x x y y z z x x y y z z x x y y z z ------=--- 称为平面的三点式方程。
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2. 向量的坐标表示
i , j , k 分别表示坐标轴x, y, z上的单位向量
(1)设点 M (x, y, z), 则 OM ON NM OA OB OC
x i y j zk 记为
( x, y, z)
z C
ko i
j
r
M B y
A
x
N
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四、利用坐标作向量的线性运算
三、空间直角坐标系
1. 空间直角坐标系(右手系)
• 坐标原点
Ⅲ
• 坐标轴
Ⅳ
• 坐标面
• 卦限(八个) Ⅶ
x
(横轴)
Ⅷ
z (竖轴) yoz面 o xoy面
Ⅴ
Ⅱ
Ⅰ
y
(纵轴) Ⅵ
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在直角坐标系下
点 M 11 (x, y, z) 11 向径 r
特殊点的坐标 :
(称为点M的坐标)
【例】P10例4, 5, 6
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3. 方向角与方向余弦
(1)夹角: AOB (a , b)
(2)方向角:向量与三坐标轴的夹角
, , 称为方向角
(3)方向余弦： OM r x2 y2 z2
cos
1. 向量的模: 设 OM ( x , y , z ), 则由勾股定理得有
OM OP 2 OQ 2 OR 2
z R
M
x2 y2 z2 2. 两点间的距离公式
设A(x1, y1, z1), B (x2, y2, z2), 则
o
Q y
Px
N
AB ( x2 x1 , y2 y1 , z2 z1 ) | AB | ( x2 x1)2 ( y2 y1)2 (z2 z1)2
|a|
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【例1】如果四边形对角线互相平分，则它是
解: 如图 M 为四边形ABCD 对角线的交点, 则
D
C
AB a1 b1 ，
b2
a2
a1
M b1
DC a2 b2
A
B
由已知 a1 a2 , b1 b2
所以 AB DC
所以ABCD为平行四边形.
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1. 设 a ( ax , ay , az ), b (bx , by , bz ) , λ为实数，则 a b (ax bx , ay by , az bz )
a ( ax , ay , az )
2.已知两点 A( x1 , y1 , z1) , B( x2 , y2 , z2 ) 则 AB OB OA ( x2, y2, z2 ) ( x1, y1, z1) ( x2 x1, y2 y1, z2 z1)
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3. 平行向量对应坐标成比例: 当 a 0 时,
b a b a (bx , by, bz ) (ax , ay, az )
bx by bz ax ay az
【例2】P8例2
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【例3】已知两点 A( x1 , y1 , z1) , B( x2 , y2 , z2 ) 及实数λ≠-1
在直线AB上求一点 M , 使 AM MB .
解: 设 M 的坐标为 ( x , y , z) ,如图所示
A
M
AM OM OA
B
MB OB OM
o
由已知 AM MB .
A
OM OA (OB OM )
B
OM
1
1
(
OA
OB
M
(
x
,
y
,
z)
1
1
(
x1
x2
,
y1
y2
,
z1
z2
)
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§1 向量及其线性运算
第一次课
一、向量的概念 二、向量的线性运算 三、空间直角坐标系 四、利用坐标作向量的线性运算 五、向量的模、方向角、投影
目录 上页 下页 返回 结束 Nhomakorabea一、向量的概念
1.向量: 既有大小, 又有方向的量称为向量 (又称矢量).
B
AB a
Aa
2.向量的大小(模) : | AB || a |
第八章 空间解析几何与向量代数
向量代数
空间直角坐标系 向量
向量 向量运算：加减法，数量积，向量积
平面与直线
平面——法向量 直线——方向向量 距离，夹角
空间曲线与曲面：曲线与曲面表示法
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§1 向量及其线性运算 §2 数量积，向量积 §3 平面及其方程 §4 空间直线及其方程 §5 曲面及其方程 §6 空间曲线及其方程
由
(
x
,
y
,
z)
1
1
(
x1
x2
,
y1
y2
,
z1
z2
)
得定比分点公式:
x
x1 x2 1
,
y
y1 y2 1
,z
z1 z2 1
当λ=1时，点 M 为 AB 的中点 , 于是
得中点公式:
x x1 x2 , y y1 y2 , z z1 z2
2
2
2
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五、向量的模、方向角、投影
3.零向量: | 0 | 0 方向任意.
4.单位向量: | a | 1 记为 ao , or e
5.平行向量: a / /b 方向相同, 或相反. (零向量与任何向量平行)
6.相等向量: 大小相等, 方向相同.
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二、向量的线性运算
1. 向量的加减法 (1)加法：平行四边形法则：
原点 O(0,0,0) ; 坐标轴上的点 P, Q , R ;
坐标面上的点 A , B , C
z
R(0,0, z)
B(0, y, z)
C(x, o, z)
r
o
x P(x,0,0)
M y
Q(0, y,0)
A(x, y,0)
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z
o
x
坐标面 :
坐标轴 :
y
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b ab a
三角形法则:
(2)三角形法则可推广到多个向量相加 .
ab
b
a
(3)加法满足交换律，结合律见P2 .
a
(4)减法： a b a (b)
a b
b
(5)三角不等式 | a | | b | | a b || a | | b |
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2. 向量与数的乘法：
(1)定义：向量 a 与数λ的乘法记为 a , | a || | | a | 0时， a 与a同向，
0时， a 与a 反向， 0时， a 0
(2)向量与数的乘法满足结合律, 分配律. 见P4 .
(3)
a0 则
若 0，则 a 0； 若a 0，则 0 .
(4)定理1.1：设 a 0 , 则 a / /b 1 R, 使得b a .
(5)与 a 同向的单位向量为：e ao a .