Материал по теме Метод координат

Координатный метод

Уравнение плоскости по трем точкам

Во многих стереометрических задачах, связанных с нахождением расстояния от точки до плоскости или расстояния между скрещивающимися прямыми, или угла между плоскостями, требуется найти уравнение плоскости.

Уравнение плоскости имеет вид: , где , , и - числовые коэффициенты.

Пусть нам нужно написать уравнение плоскости, которая проходит через точки , и

А) Так как точки принадлежат плоскости, то при подстановке их координат в уравнение плоскости, мы получим верные равенства.

Так как у нас три точки, мы должны получить систему из трех уравнений с четырьмя неизвестными. Примем коэффициент равным 1. Для этого разделим уравнение плоскости на . Получим:

Мы можем переписать это уравнение в виде:

Чтобы найти коэффициенты А, В и С, подставим координаты точек , и в уравнение плоскости .

Получим систему уравнений:

Решив ее, мы найдем значения коэффициентов А, В и С.

Б) Определителем.

Решим задачу.

В правильной четырехугольной призме со стороной основания 12 и высотой 21 на ребре взята точка так, что равно 8. на ребре взята точка так, что равно 8. Написать уравнение плоскости : Поскольку для нахождения уравнения плоскости нам понадобятся координаты точек, мы помещаю призму в систему координат:

Запишем координаты точек:

Подставим их в систему уравнений:

Отсюда:

Подставим найденные коэффициенты в уравнение плоскости:

Чтобы избавиться от дробных коэффициентов, умножим обе части уравнения плоскости на . Получим:

Ответ: уравнение плоскости

Расстояние от точки до плоскости.

Рассстояние от точки до плоскости вычисляется по такой формуле:

Решим задачу: в единичном кубе найдите расстояние от точки до плоскости .

Чтобы воспользоваться этой формулой, поместим наш куб в систему координат:

В нашей задаче роль точки играет точка . То есть , ,

Теперь наша задача найти коэффициенты , , и в уравнении плоскости .

Плоскость определяется тремя точками , и . Если мы координаты точек подставим в уравнение плоскости , то получим верное равенство.

Коэффициент в уравнении плоскости мы можем принять равным 1.

Чтобы найти коэффициенты , и , подставим координаты точек , и в уравнение плоскости . Получим систему уравнений:

Отсюда: , ,

Подставим координаты точки и значения коэффициентов в формулу для расстояния:

Ответ:

Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми

Итак, аналитический способ решения задачи:

В правильной треугольной призме , все ребра которой равны 1, найдите расстояние между прямыми и :

Как мы помним из геометрического метода решения этой задачи, расстояние между прямыми и есть расстояние от точки до плоскости :

Рассстояние от точки до плоскости вычисляется по такой формуле:

Поместим нашу призму в систему координат. Если мы решаем задачу с кубом или прямоугольным параллелепипедом, то выбор системы координат очевиден: мы помещаем начало координат в одну из вершин куба, а оси направляем вдоль ребер. В случае призмы это не столь очевидно.

Нам надо выбрать систему координат таким образом, чтобы координаты точки и точек , и , задающих плоскость вычислялись наиболее простым способом и содержали как можно больше нулей. Поэтому удобно выбрать систему координат вот таким образом:

Запишем координаты нужных нам точек:

Чтобы найти коэффициенты , , и в уравнении плоскости , примем коэффициент , и подставим координаты точек , и в уравнение плоскости. Получим систему уравнений:

Отсюда:

,,

Подставим значения коэффициентов и координаты точки в формулу для расстояния. Получим:

Ответ:

Угол между прямой и плоскостью.

1. Уравнение плоскости имеет вид

2. Важно! В этом уравнении плоскости коэффициенты - координаты вектора нормали к плоскости (то есть вектора, перпендикулярного плоскости).

3. Косинус угла между векторами и вычисляется по формуле:

4. Любой ненулевой вектор , лежащий на прямой , или параллельный прямой , называется направляющим вектором прямой.

5. Синус угла между прямой и плоскостью равен косинусу угла между нормалью () к плоскости и направляющим вектором прямой (), поскольку эти два угла в сумме равны 90°.

То есть синус угла между прямой, направляющий вектор которой имеет координаты и плоскостью, заданной уравнением вычисляется по формуле:

Решим задачу:

В правильной четырехугольной пирамиде SABCD, все ребра которой равны 1, найдите синус угла между прямой BD и плоскостью SBC.

Введем систему координат:

Запишем уравнение плоскости SBC. Для этого найдем координаты точек S, B и C и подставим их в уравнение плоскости

Так как плоскость SBC проходит через начало координат, ,

Получим систему уравнений:

Отсюда , .

Уравнение плоскости имеет вид:

. Разделим обе части равенства на с, получим:

.

Таким образом, вектор нормали к плоскости SBC имеет координаты:

Найдем координаты направляющего вектора прямой BD. Для этого найдем координаты точек B и D, а затем из координат конца вычтем координаты начала.

D(1;1;0) B(0;0;0),

Ответ:

Угол между плоскостями.

Две пересекающиеся плоскости образуют две пары равных между собой двугранных углов:

Величина двугранного угла измеряется величиной соответствующего линейного угла.

Чтобы построить линейный угол двугранного угла, нужно взять на линии пересечения плоскостей произвольную точку, и в каждой плоскости провести к этой точке луч перпендикулярно линии пересечения плоскостей. Угол, образованный этими лучами и есть линейный угол двугранного угла:

Величиной угла между плоскостями называется величина меньшего двугранного угла.

Пусть наши плоскости и заданы уравнениями:

:

:

Косинус угла между плоскостями находится по такой формуле:

В ответе мы записываем , так как величиной угла между плоскостями называется величина меньшего двугранного угла.

Решим задачу, которая была предложена на пробнике для подготовке к ЕГЭ 17 марта 2012 года.

В правильной четырехугольной призме со стороной основания 12 и высотой 21 на ребре взята точка М так, что . На ребре взята точка K так, что на ребре взята точка М так, что . Найдите угол между плоскостью и плоскостью .

Сделаем чертеж. Так как мы будем использовать метод координат, сразу введем систему координат:

Теперь перед нами стоит задача написать уравнения плоскости и плоскости .

Подробный алгоритм нахождения уравнения плоскости по трем точкам я описывала здесь.

После того, как мы найдем коэффициенты в уравнениях плоскости и плоскости , подставим их в формулу для нахождения косинуса угла между плоскостями, и найдем угол.

10