微积分复习(二)矢量代数与空间解析几何

本文深入探讨了矢量的坐标表达式、矢量运算、平面与直线方程,以及曲面方程与空间曲线方程等内容,详细解析了方向余弦、矢量垂直和平行的条件,介绍了平面和直线的多种方程形式,阐述了曲面和空间曲线的数学表示方法。

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矢量的坐标表达式

方向余弦cos⁡α=a1∣a∣=a1a12+a22+a32,cos⁡β=a2∣a∣=a2a12+a22+a32,cos⁡γ=a3∣a∣=a3a12+a22+a32\cos\alpha=\dfrac{a_1}{|\boldsymbol{a}|}=\dfrac{a_1}{\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}},\cos\beta=\dfrac{a_2}{|\boldsymbol{a}|}=\dfrac{a_2}{\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}},\cos\gamma=\dfrac{a_3}{|\boldsymbol{a}|}=\dfrac{a_3}{\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}}cosα=aa1=a12+a22+a32a1,cosβ=aa2=a12+a22+a32a2,cosγ=aa3=a12+a22+a32a3
  ⟹cos⁡2α+cos⁡2β+cos⁡2γ=1\Longrightarrow \cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1cos2α+cos2β+cos2γ=1
矢量垂直a⊥b  ⟺  a⋅b=0\boldsymbol{a} \perp \boldsymbol{b} \iff \boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}=0abab=0
矢量平行a∥b  ⟺  a×b=∣i^j^k^a1a2a3b1b2b3∣=0\boldsymbol{a} \parallel \boldsymbol{b} \iff \boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}=\begin{vmatrix}\hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3\end{vmatrix}=\boldsymbol{0}aba×b=i^a1b1j^a2b2k^a3b3=0
三矢量的混合积a⋅(b×c)=b⋅(c×a)=c⋅(a×b)=∣a1a2a3b1b2b3c1c2c3∣\boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c})=\boldsymbol{b} \cdot (\boldsymbol{c} \times \boldsymbol{a})=\boldsymbol{c} \cdot (\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b})=\begin{vmatrix}a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3\end{vmatrix}a(b×c)=b(c×a)=c(a×b)=a1b1c1a2b2c2a3b3c3
平行六面体体积V=±a⋅(b×c)=∣a⋅(b×c)∣V=\pm \boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c})=|\boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c})|V=±a(b×c)=a(b×c)
矢量共面a⋅(b×c)=0\boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c})=0a(b×c)=0
三矢量的二重矢积{a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c(a×b)×c=−c×(a×b)=(c⋅a)b−(c⋅b)a\begin{cases}\boldsymbol{a} \times (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c})=(\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{c})\boldsymbol{b}-(\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b})\boldsymbol{c} \\ (\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}) \times \boldsymbol{c}=-\boldsymbol{c} \times (\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b})=(\boldsymbol{c} \cdot \boldsymbol{a})\boldsymbol{b}-(\boldsymbol{c} \cdot \boldsymbol{b})\boldsymbol{a}\end{cases}{a×(b×c)=(ac)b(ab)c(a×b)×c=c×(a×b)=(ca)b(cb)a

平面与直线方程

平面的点法式方程A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0
 设平面法向量 n=Ai^+Bj^+Ck^\boldsymbol{n}=A\hat{i}+B\hat{j}+C\hat{k}n=Ai^+Bj^+Ck^ 和平面上一点 P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)P(x0,y0,z0),取平面上任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z),有 n⊥PQ→\boldsymbol{n} \perp \overrightarrow{PQ}nPQ(A,B,C)⋅(x−x0,y−y0,z−z0)=A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0(A,B,C) \cdot (x-x_0,y-y_0,z-z_0)=A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0(A,B,C)(xx0,yy0,zz0)=A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0
平面的一般式方程Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0
平面的截距式方程x−DA+y−DB+z−DC=1\dfrac{x}{-\dfrac{D}{A}}+\dfrac{y}{-\dfrac{D}{B}}+\dfrac{z}{-\dfrac{D}{C}}=1ADx+BDy+CDz=1 (A,B,C,D≠0)(A,B,C,D \ne 0)(A,B,C,D=0)
两平面的夹角cos⁡θ=cos⁡<n1,n2>=n1⋅n2∣n1∣∣n2∣=A1A2+B1B2+C1C2A12+B12+C12A22+B22+C22\cos\theta=\cos<\boldsymbol{n_1},\boldsymbol{n_2}>=\dfrac{\boldsymbol{n_1} \cdot \boldsymbol{n_2}}{|\boldsymbol{n_1}||\boldsymbol{n_2}|}=\dfrac{A_1A_2+B_1B_2+C_1C_2}{\sqrt{A_1^2+B_1^2+C_1^2}\sqrt{A_2^2+B_2^2+C_2^2}}cosθ=cos<n1,n2>=n1n2n1n2=A12+B12+C12A22+B22+C22A1A2+B1B2+C1C2
两平面垂直n1⊥n2  ⟺  n1⋅n2=A1A2+B1B2+C1C2=0\boldsymbol{n_1} \perp \boldsymbol{n_2} \iff \boldsymbol{n_1} \cdot \boldsymbol{n_2}=A_1A_2+B_1B_2+C_1C_2=0n1n2n1n2=A1A2+B1B2+C1C2=0
两平面平行n1∥n2  ⟺  n1×n2=0  ⟺  A1A2=B1B2=C1C2\boldsymbol{n_1} \parallel \boldsymbol{n_2} \iff \boldsymbol{n_1} \times \boldsymbol{n_2}=\boldsymbol{0} \iff \dfrac{A_1}{A_2}=\dfrac{B_1}{B_2}=\dfrac{C_1}{C_2}n1n2n1×n2=0A2A1=B2B1=C2C1
点到平面的距离d=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2d=\dfrac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}d=A2+B2+C2Ax0+By0+Cz0+D
 设平面 Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0 法向量 n=Ai^+Bj^+Ck^\boldsymbol{n}=A\hat{i}+B\hat{j}+C\hat{k}n=Ai^+Bj^+Ck^,空间上有一点 P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)P(x0,y0,z0),取平面上任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z),有 d=∣PQ→∣∣cos⁡<PQ→,n>∣=∣PQ→⋅n0∣=∣(x−x0,y−y0,z−z0)⋅(A,B,C)∣A2+B2+C2=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2d=|\overrightarrow{PQ}||\cos<\overrightarrow{PQ},\boldsymbol{n}>|=|\overrightarrow{PQ} \cdot \boldsymbol{n}^0|=\dfrac{|(x-x_0,y-y_0,z-z_0) \cdot (A,B,C)|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}=\dfrac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}d=PQcos<PQ,n>=PQn0=A2+B2+C2(xx0,yy0,zz0)(A,B,C)=A2+B2+C2Ax0+By0+Cz0+D直线的点向式方程x−x0l=y−y0m=z−z0n\dfrac{x-x_0}{l}=\dfrac{y-y_0}{m}=\dfrac{z-z_0}{n}lxx0=myy0=nzz0
 过定点 P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)P(x0,y0,z0) 与方向矢量 v=li^+mj^+nk^\boldsymbol{v}=l\hat{i}+m\hat{j}+n\hat{k}v=li^+mj^+nk^ 平行的直线,取直线上任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z),有 PQ→∥v\overrightarrow{PQ} \parallel \boldsymbol{v}PQvPQ→×v=0  ⟺  x−x0l=y−y0m=z−z0n\overrightarrow{PQ} \times \boldsymbol{v}=0 \iff \dfrac{x-x_0}{l}=\dfrac{y-y_0}{m}=\dfrac{z-z_0}{n}PQ×v=0lxx0=myy0=nzz0直线的参数式方程{x=x0+lty=y0+mtz=z0+nt(t∈R)\begin{cases}x=x_0+lt \\ y=y_0+mt \\ z=z_0+nt\end{cases} \quad (t \in \mathbb{R})x=x0+lty=y0+mtz=z0+nt(tR) x−x0l=y−y0m=z−z0n=t  ⟺  {x=x0+lty=y0+mtz=z0+nt\dfrac{x-x_0}{l}=\dfrac{y-y_0}{m}=\dfrac{z-z_0}{n}=t \iff \begin{cases}x=x_0+lt \\ y=y_0+mt \\ z=z_0+nt\end{cases}lxx0=myy0=nzz0=tx=x0+lty=y0+mtz=z0+nt直线的两点式方程x−x1x2−x1=y−y1y2−y1=z−z1z2−z1\dfrac{x-x_1}{x_2-x_1}=\dfrac{y-y_1}{y_2-y_1}=\dfrac{z-z_1}{z_2-z_1}x2x1xx1=y2y1yy1=z2z1zz1
 取直线上两点 P(x1,y1,z1)P(x_1,y_1,z_1)P(x1,y1,z1)Q(x2,y2,z2)Q(x_2,y_2,z_2)Q(x2,y2,z2),则方向矢量为 PQ→=(x2−x1,y2−y1,z2−z1)\overrightarrow{PQ}=(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)PQ=(x2x1,y2y1,z2z1),改写点向式方程得到两点式方程。
直线的一般式方程{A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0\begin{cases}A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0 \\ A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0\end{cases}{A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0
 取两平面法向量 n1=(A1,B1,C1)\boldsymbol{n_1}=(A_1,B_1,C_1)n1=(A1,B1,C1)n2=(A2,B2,C2)\boldsymbol{n_2}=(A_2,B_2,C_2)n2=(A2,B2,C2),则直线方向矢量 v=n1×n2=∣i^j^k^A1B1C1A2B2C2∣\boldsymbol{v}=\boldsymbol{n_1} \times \boldsymbol{n_2}=\begin{vmatrix}\hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ A_1 & B_1 & C_1 \\ A_2 & B_2 & C_2\end{vmatrix}v=n1×n2=i^A1A2j^B1B2k^C1C2,再取直线上一点 P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)P(x0,y0,z0) 即可转化为点向式方程。
两直线的夹角cos⁡θ=cos⁡<v1,v2>=v1⋅v2∣v1∣∣v2∣=l1l2+m1m2+n1n2l12+m12+n12l22+m22+n22\cos\theta=\cos<\boldsymbol{v_1},\boldsymbol{v_2}>=\dfrac{\boldsymbol{v_1} \cdot \boldsymbol{v_2}}{|\boldsymbol{v_1}||\boldsymbol{v_2}|}=\dfrac{l_1l_2+m_1m_2+n_1n_2}{\sqrt{l_1^2+m_1^2+n_1^2}\sqrt{l_2^2+m_2^2+n_2^2}}cosθ=cos<v1,v2>=v1v2v1v2=l12+m12+n12l22+m22+n22l1l2+m1m2+n1n2
两直线垂直v1⊥v2  ⟺  v1⋅v2=l1l2+m1m2+n1n2=0\boldsymbol{v_1} \perp \boldsymbol{v_2} \iff \boldsymbol{v_1} \cdot \boldsymbol{v_2}=l_1l_2+m_1m_2+n_1n_2=0v1v2v1v2=l1l2+m1m2+n1n2=0
两直线平行v1∥v2  ⟺  v1×v2=0  ⟺  l1l2=m1m2=n1n2\boldsymbol{v_1} \parallel \boldsymbol{v_2} \iff \boldsymbol{v_1} \times \boldsymbol{v_2}=\boldsymbol{0} \iff \dfrac{l_1}{l_2}=\dfrac{m_1}{m_2}=\dfrac{n_1}{n_2}v1v2v1×v2=0l2l1=m2m1=n2n1
直线与平面的夹角sin⁡θ=∣cos⁡<n,v>∣=∣n⋅v∣∣n∣∣v∣=∣Al+Bm+Cn∣A2+B2+C2l2+m2+n2\sin\theta=|\cos<\boldsymbol{n},\boldsymbol{v}>|=\dfrac{|\boldsymbol{n} \cdot \boldsymbol{v}|}{|\boldsymbol{n}||\boldsymbol{v}|}=\dfrac{|Al+Bm+Cn|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}\sqrt{l^2+m^2+n^2}}sinθ=cos<n,v>=nvnv=A2+B2+C2l2+m2+n2Al+Bm+Cn
点到直线的距离h=∣PQ→∣∣sin⁡<PQ→,v>∣=∣PQ→×v∣∣v∣h=|\overrightarrow{PQ}||\sin<\overrightarrow{PQ},\boldsymbol{v}>|=\dfrac{|\overrightarrow{PQ} \times \boldsymbol{v}|}{|\boldsymbol{v}|}h=PQsin<PQ,v>=vPQ×v
直线在平面上的投影方程 已知直线 LLL(方向矢量 v\boldsymbol{v}v)和平面 π\piπ(法向量 n\boldsymbol{n}n),先求过直线 LLL 与平面 π\piπ 垂直的平面 σ\sigmaσ(法向量 n×v\boldsymbol{n} \times \boldsymbol{v}n×v,过 LLL 上一定点 PPP),投影方程即 π\piπσ\sigmaσ 的平面交。
两异面直线之间的距离 过直线 L1L_1L1(方向矢量 v1\boldsymbol{v_1}v1)作平行于直线 L2L_2L2(方向矢量 v2\boldsymbol{v_2}v2)的平面 π\piπ(法向量 n=v1×v2\boldsymbol{n}=\boldsymbol{v_1} \times \boldsymbol{v_2}n=v1×v2),取 L1L_1L1 上一点 PPPL2L_2L2 上一点 QQQ,异面直线距离为 PQ→\overrightarrow{PQ}PQn\boldsymbol{n}n 上的投影,即 d=∣PQ→⋅n∣∣n∣=∣PQ→⋅(v1×v2)∣∣v1×v2∣d=\dfrac{|\overrightarrow{PQ} \cdot \boldsymbol{n}|}{|\boldsymbol{n}|}=\dfrac{|\overrightarrow{PQ} \cdot (\boldsymbol{v_1} \times \boldsymbol{v_2})|}{|\boldsymbol{v_1} \times \boldsymbol{v_2}|}d=nPQn=v1×v2PQ(v1×v2)
平面束方程 若直线 LLL 是平面 π1:A1x+B1y+C1z+D1=0\pi_1:A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0π1:A1x+B1y+C1z+D1=0 与 平面 π2:A2x+B2y+C2z+D2=0\pi_2:A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0π2:A2x+B2y+C2z+D2=0 的交线,则以直线 LLL 为轴的平面束方程为 λ(A1x+B1y+C1z+D1)+μ(A2x+B2y+C2z+D2)=0\lambda(A_1x+B_1y+C_1z+D_1)+\mu(A_2x+B_2y+C_2z+D_2)=0λ(A1x+B1y+C1z+D1)+μ(A2x+B2y+C2z+D2)=0

曲面方程与空间曲线方程

柱面方程(以 OxyOxyOxy 平面上的曲线为准线)F(x−acz,y−bcz)=0F\left(x-\dfrac{a}{c}z,y-\dfrac{b}{c}z\right)=0F(xcaz,ycbz)=0
 设 OxyOxyOxy 平面上的曲线 Γ:F(x,y)=0\Gamma:F(x,y)=0Γ:F(x,y)=0,母线 LLL 的方向矢量 v=ai^+bj^+ck^\boldsymbol{v}=a\hat{i}+b\hat{j}+c\hat{k}v=ai^+bj^+ck^ (c≠0)(c \ne 0)(c=0),取柱面上任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z) 作母线的平行线交准线于 P(x0,y0,0)P(x_0,y_0,0)P(x0,y0,0),由 PQ→∥v\overrightarrow{PQ} \parallel \boldsymbol{v}PQvx−x0a=y−y0b=zc\dfrac{x-x_0}{a}=\dfrac{y-y_0}{b}=\dfrac{z}{c}axx0=byy0=cz,从而 P(x−acz,y−bcz,0)P\left(x-\dfrac{a}{c}z,y-\dfrac{b}{c}z,0\right)P(xcaz,ycbz,0),代入曲线 Γ:F(x,y)=0\Gamma:F(x,y)=0Γ:F(x,y)=0 即可。
锥面方程(以 z=hz=hz=h 平面上的曲线为准线、原点为顶点)F(hzx,hzy)=0F\left(\dfrac{h}{z}x,\dfrac{h}{z}y\right)=0F(zhx,zhy)=0
 设平面 z=hz=hz=h (h≠0)(h \ne 0)(h=0) 上的曲线 Γ:F(x,y)=0\Gamma:F(x,y)=0Γ:F(x,y)=0,取锥面上任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z) 并延长 OQOQOQ 交准线于 P(x0,y0,h)P(x_0,y_0,h)P(x0,y0,h),由 OP→∥OQ→\overrightarrow{OP} \parallel \overrightarrow{OQ}OPOQx0x=y0y=hz\dfrac{x_0}{x}=\dfrac{y_0}{y}=\dfrac{h}{z}xx0=yy0=zh,从而 P(hzx,hzy,h)P\left(\dfrac{h}{z}x,\dfrac{h}{z}y,h\right)P(zhx,zhy,h),代入曲线 Γ:F(x,y)=0\Gamma:F(x,y)=0Γ:F(x,y)=0 即可。
旋转曲面方程(以 OyzOyzOyz 平面上的曲线为准线、zzz 轴为旋转轴)F(±x2+y2,z)=0F\left(\pm\sqrt{x^2+y^2},z\right)=0F(±x2+y2,z)=0
 设 OyzOyzOyz 平面上的曲线 Γ:F(y,z)=0\Gamma:F(y,z)=0Γ:F(y,z)=0,取准线上一点 P(0,y0,z0)P(0,y_0,z_0)P(0,y0,z0) 和曲面上同高的任一点 Q(x,y,z)Q(x,y,z)Q(x,y,z),由旋转可得 P(0,±x2+y2,z)P\left(0,\pm\sqrt{x^2+y^2},z\right)P(0,±x2+y2,z),代入曲线 Γ:F(y,z)=0\Gamma:F(y,z)=0Γ:F(y,z)=0 即可。
用两曲面交线表示的空间曲线{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0\begin{cases}F(x,y,z)=0 \\ G(x,y,z)=0\end{cases}{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0
用参数方程表示的空间曲线{x=φ(t)y=ψ(t)z=ω(t)\begin{cases}x=\varphi(t) \\ y=\psi(t) \\ z=\omega(t)\end{cases}x=φ(t)y=ψ(t)z=ω(t)
空间曲线在坐标平面上的投影(以 OxyOxyOxy 平面为投影面)Γ:{F1(x,y,z)=0F2(x,y,z)=0⇒z=f(x,y)Γ′:{F(x,y)=0z=0\Gamma:\begin{cases}F_1(x,y,z)=0 \\ F_2(x,y,z)=0\end{cases} \xRightarrow{z=f(x,y)} \Gamma':\begin{cases}F(x,y)=0 \\ z=0\end{cases}Γ:{F1(x,y,z)=0F2(x,y,z)=0z=f(x,y)Γ:{F(x,y)=0z=0

二次曲面

曲线方程
椭球面x2a+y2b+z2c=1\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}+\dfrac{z^2}{c}=1ax2+by2+cz2=1 (a,b,c>0)(a,b,c>0)(a,b,c>0)
椭圆抛物面z=x2a+y2bz=\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}z=ax2+by2 (a,b>0)(a,b>0)(a,b>0)
二次锥面x2a+y2b−z2c=0\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}-\dfrac{z^2}{c}=0ax2+by2cz2=0
双曲抛物面z=−x2a+y2bz=-\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}z=ax2+by2
单叶双曲面x2a+y2b−z2c=1\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}-\dfrac{z^2}{c}=1ax2+by2cz2=1
双叶双曲面x2a+y2b−z2c=−1\dfrac{x^2}{a}+\dfrac{y^2}{b}-\dfrac{z^2}{c}=-1ax2+by2cz2=1
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