欧几里得空间中 (二维、三维、n 维) 点到面的距离

博客先介绍向量投影的前置知识,包括二维、三维和 n 维情况下向量投影的计算。接着分别推导二维下点到直线、三维下点到平面以及 n 维下点到超平面的距离公式,主要运用向量投影和单位法向量等知识。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

0. 前置知识

1. 向量投影(涉及一点内积知识)

在这里插入图片描述

2. 二维情况

A⃗=(xA,yA),B⃗=(xB,yB) \vec{A} = (x_A, y_A), \vec{B} = (x_B, y_B) A=(xA,yA),B=(xB,yB)

A⃗在B⃗上的投影:∣A⃗∣cosθ=∣A⃗∣A⃗⋅B⃗∣A⃗∣∣B⃗∣=A⃗⋅B⃗∣B⃗∣ \vec{A} 在 \vec{B} 上的投影: |\vec{A} |cos\theta = |\vec{A} | \frac{\vec{A} \cdot \vec{B}}{|\vec{A}||\vec{B}|} = \frac{\vec{A} \cdot \vec{B}}{|\vec{B}|} ABAcosθ=AABAB=BAB

当B⃗是单位向量时,∣B⃗∣=1,∣A⃗∣cosθ=A⃗⋅B⃗=xAxB+yAyB 当 \vec{B} 是单位向量时,|\vec{B}| = 1, |\vec{A} |cos\theta = \vec{A} \cdot \vec{B} = x_Ax_B+y_Ay_BBB=1Acosθ=AB=xAxB+yAyB

3. 三维情况

A⃗=(xA,yA,zA),B⃗=(xB,yB,zB) \vec{A} = (x_A, y_A,z_A), \vec{B} = (x_B, y_B, z_B) A=(xA,yA,zA),B=(xB,yB,zB)

由上面 二维情况可以看出

当B⃗是单位向量时,∣B⃗∣=1,∣A⃗∣cosθ=A⃗⋅B⃗=xAxB+yAyB+zAzB 当 \vec{B} 是单位向量时,|\vec{B}| = 1, |\vec{A} |cos\theta = \vec{A} \cdot \vec{B} = x_Ax_B+y_Ay_B + z_Az_B BB=1Acosθ=AB=xAxB+yAyB+zAzB

3. n 维情况下

A⃗=(a1,a2,a3,⋯ ,an),B⃗=(b1,b2,b3,⋯ ,bn) \vec{A} = (a_1, a_2,a_3, \cdots, a_n), \vec{B} = (b_1, b_2,b_3, \cdots, b_n) A=(a1,a2,a3,,an),B=(b1,b2,b3,,bn)

当B⃗是单位向量时,∣B⃗∣=1,∣A⃗∣cosθ=A⃗⋅B⃗=∑i=1naibi 当 \vec{B} 是单位向量时,|\vec{B}| = 1, |\vec{A} |cos\theta = \vec{A} \cdot \vec{B} = \sum_{i=1}^{n} {a_i b_i} BB=1Acosθ=AB=i=1naibi


1. 二维下点到线的距离

在这里插入图片描述

直线:
ax+by+c=0 ax + by + c = 0 ax+by+c=0

直线外一点 A 到直线的距离
d=∣ax1+by1+c∣a2+b2 d = \frac {|ax_1 + by_1 +c| } {\sqrt{a^2 + b^2}}d=a2+b2ax1+by1+c

推导:
取直线法向量n⃗=(a,b),那么直线的单位法向量n⃗e=(a,b)a2+b2 取直线法向量 \vec{n} = (a, b),那么直线的单位法向量 \vec{n}_e = \frac{(a, b)}{\sqrt{a^2 + b^2}}线n=(a,b)线ne=a2+b2(a,b)

在直线上随便取一点D(x0,y0),直线外点A到D的向量记为v⃗=(x0−x1,y0−y1) 在直线上随便取一点 D(x_0, y_0),直线外点A到D的向量记为 \vec{v} = (x_0-x_1, y_0-y_1) 线便D(x0,y0)线ADv=(x0x1,y0y1)

由上面的投影公式:DA⃗到EA⃗即n⃗的投影即为点到直线的距离,取直线单位法向量n⃗e=(a,b)a2+b2,代入投影计算公式: 由上面的投影公式:\vec{DA} 到 \vec{EA} 即\vec{n} 的投影即为点到直线的距离,取直线单位法向量 \vec{n}_e = \frac{(a, b)}{\sqrt{a^2 + b^2}},代入投影计算公式: DAEAn线线ne=a2+b2(a,b)

d=∣n⃗e⋅v⃗∣=∣(a,b)a2+b2(x0−x1,y0−y1)∣=∣a(x0−x1)+b(y0−y1)∣a2+b2=∣ax1+by1+c∣a2+b2 d = | \vec{n}_e \cdot \vec{v} | = | \frac{(a, b)}{\sqrt{a^2 + b^2}} (x_0-x_1, y_0-y_1)| = \frac{|a(x_0-x_1) + b(y_0-y_1)|}{\sqrt{a^2 + b^2}} = \frac {|ax_1 + by_1 +c| } {\sqrt{a^2 + b^2}}d=nev=a2+b2(a,b)(x0x1,y0y1)=a2+b2a(x0x1)+b(y0y1)=a2+b2ax1+by1+c

2. 三维情况

平面:
ax+by+cz+d=0 ax + by + cz + d = 0 ax+by+cz+d=0

单位法向量:
n⃗e=(a,b,c)a2+b2+c2 \vec{n}_e = \frac{(a, b, c)}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}ne=a2+b2+c2(a,b,c)

平面外一点 P(x1,y1,z1) (x_1, y_1, z_1) (x1,y1,z1) 到 平面上任一点 D (x0,y0,z0) (x_0, y_0, z_0) (x0,y0,z0) 的向量 v⃗=(x1−x0,y1−y0,z1−z0) \vec{v} = (x_1 - x_0, y_1 - y_0, z_1 - z_0) v=(x1x0,y1y0,z1z0)

距离:
d=∣n⃗e⋅v⃗∣=∣(a,b,c)a2+b2+c2(x0−x1,y0−y1,z0−z1)∣=∣a(x0−x1)+b(y0−y1)+c(z0−z1)∣a2+b2+c2=∣ax1+by1+cz1+d∣a2+b2+c2 d = | \vec{n}_e \cdot \vec{v} | = | \frac{(a, b, c)}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}} (x_0-x_1, y_0-y_1, z_0-z_1)| = \frac{|a(x_0-x_1) + b(y_0-y_1) + c(z_0 - z_1) |}{\sqrt{a^2 + b^2 +c^2 }} = \frac {|ax_1 + by_1 +cz_1 + d| } {\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}} d=nev=a2+b2+c2(a,b,c)(x0x1,y0y1,z0z1)=a2+b2+c2a(x0x1)+b(y0y1)+c(z0z1)=a2+b2+c2ax1+by1+cz1+d

3. n 维情况

n 维超平面
a1x1+a2x2+⋯+anxn+b=0 a_1x_1 + a_2x_2 + \cdots + a_nx_n + b = 0 a1x1+a2x2++anxn+b=0

单位超平面法向量:
n⃗e=(a1,a2,⋯ ,an)a12+a22+⋯+an2 \vec{n}_e = \frac { (a_1, a_2, \cdots, a_n)} {\sqrt{{a_1}^2 + {a_2}^2 + \cdots + {a_n}^2}}ne=a12+a22++an2(a1,a2,,an)

超平面外的一点 P

(x1p,x2p,x3p,⋯ ,xnp) (x_{1p}, x_{2p}, x_{3p}, \cdots, x_{np}) (x1p,x2p,x3p,,xnp)

到超平面内任意一点 D

(x1d,x2d,x3d,⋯ ,xnd) (x_{1d}, x_{2d}, x_{3d}, \cdots, x_{nd}) (x1d,x2d,x3d,,xnd)

的向量:

v⃗=(x1d−x1p,x2d−x2p,⋯ ,xnd−xnp) \vec{v} = (x_{1d} - x_{1p}, x_{2d} - x_{2p}, \cdots, x_{nd} - x_{np}) v=(x1dx1p,x2dx2p,,xndxnp)

距离:

d=∣n⃗e⋅v⃗∣=∣(a1,a2,⋯ ,an)a12+a22+⋯+an2(x1d−x1p,x2d−x2p,⋯ ,xnd−xnp)∣ d = | \vec{n}_e \cdot \vec{v} | = | \frac { (a_1, a_2, \cdots, a_n)} {\sqrt{{a_1}^2 + {a_2}^2 + \cdots + {a_n}^2}} (x_{1d} - x_{1p}, x_{2d} - x_{2p}, \cdots, x_{nd} - x_{np}) | d=nev=a12+a22++an2(a1,a2,,an)(x1dx1p,x2dx2p,,xndxnp)

整理得:

d=∣(a1x1p+a2x2p+⋯+anxnp)∣a12+a22+⋯+an2 d = \frac { |(a_1 x_{1p} + a_2 x_{2p} + \cdots + a_n x_{np}) | } {\sqrt{{a_1}^2 + {a_2}^2 + \cdots + {a_n}^2}} d=a12+a22++an2(a1x1p+a2x2p++anxnp)

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值