5-xt--空间解析几何与向量代数

第七章 空间解析几何与向量代数解析几何：用代数工具解决几何问题平面解析几何的研究，在代数与几何之间架起了一座桥梁，它使平面上的点与一对有序数组),(y x 之间建立了一一对应关系。

从而把平面上的图形（几何上）与方程（代数上）联系在了一起。

而实际上，我们在前面学习一元函数微积分的时候，已经大量地使用了平面解析几何的知识、许多概念通过几何直观使我们更容易理解。

下面要研究多元函数（以二元为主）的情形。

当然也希望能有其几何形象来帮助理解。

由于二元函数会出现三个变量，所以平面解析几何的知识是不够的，我们要把它推广，只有空间中的点才能和有序数组),,(z y x 相对应，所以我们要掌握一些空间解析几何的知识，并以向量为研究工具。

平面解几：一元函数的几何（曲线）通过坐标把平面上的点与一对有序数对应起来 空间解几：研究多元函数的基础 讨论多元函数(,)z f x y （曲面、曲线） 本章在空间直角坐标系中引进在工程技术上有广泛应用的向量，介绍向量的一些运算，介绍空间曲面和空间曲线的部分内容，并以向量为工具来讨论空间的平面和直线。

教学目的：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），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。

教学重点：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。

空间解析几何与向量代数空间解析几何与向量代数是数学中的两个重要分支，它们分别从几何和代数的角度，研究了空间中点、线、面的性质，以及向量的运算与性质。

本文将介绍空间解析几何与向量代数的基本概念、性质以及它们在数学和物理中的应用。

一、空间解析几何空间解析几何是以坐标系为基础，利用代数方法研究空间中点、线、面的性质与相互关系的数学学科。

它的基本概念包括平面直角坐标系、空间直角坐标系，以及点、直线、平面的方程等。

1. 点的坐标在平面直角坐标系中，点的坐标用有序实数对(x, y)表示；在空间直角坐标系中，点的坐标用有序实数三元组(x, y, z)表示。

通过坐标，可以确定点在坐标系中的位置。

2. 直线的方程空间解析几何中，直线的方程有多种表示形式，常见的有点向式、对称式和一般式。

在点向式中，直线上的任意一点可以用一个固定点和一个方向向量表示；在对称式中，直线上的任意一点满足一个关系式；一般式则是通过线的法向量与截距来表示。

这些方程形式各有特点，在不同的问题中有不同的用途。

3. 平面的方程平面的方程也有多种表示形式，常见的有点法式和一般式。

在点法式中，平面上的任意一点满足一个关系式，并且平面的法向量可以通过法线上的两个点相减并取正交向量得到；一般式则是通过平面的法向量与截距来表示。

同样，不同的方程形式适用于不同类型的问题。

二、向量代数向量代数是关于向量的计算与运算的数学学科，它以向量作为基本研究对象，研究向量的性质、向量之间的关系以及向量的运算规则等。

1. 向量的表示向量可以用有向线段表示，也可以用坐标表示。

在空间中，一个向量可以写成一个实数三元组，例如向量v(x, y, z)表示从原点指向点(x, y, z)的有向线段。

向量的长度用模表示，记作|v|。

2. 向量的运算向量的运算包括向量的加法、减法、数量乘法和内积运算。

向量的加法和减法遵循平行四边形法则和三角形法则；数量乘法将向量的模与一个实数相乘，改变了向量的长度和方向；内积运算结果是一个实数，满足交换律和分配律。

向量代数和空间解析几何向量代数是一种利用矢量来表达物理量的数学方法，它是建立物理现象的关键，在计算中物理量的概念可以被准确的表达，这使得空间与时间的模型可以描述和表示。

空间解析几何是一种学科，旨在探索物体在空间中的几何表示，也是一种多维几何学，它有助于理解空间和时间的结构，及其在空间中的变换。

它也可以用来理解和描述空间结构的特点，并允许进行精确的计算。

向量代数由一系列的矢量方程给出，其中每个矢量由一组有序的数字组成，其中每个数字代表一维的大小和方向。

矢量的操作可以用来描述物体的运动，对于运动的测量和描述是建立物理现象的关键。

一个向量方程可以表述为空间中的实际值，并且可以将一个空间中的点映射到另一个空间中，也可以用来应用多维几何学。

空间解析几何可以用来解决各种物理问题，如定义物体表面，描述物体形状，表示曲线，计算物体之间的距离和它们在空间中的关系，以及解决方程等等。

它结合了向量代数、多维几何和数学的概念，使得计算机可以在空间中创造和模拟现实世界里的3D几何物体。

空间解析几何有多种用途，可以用来描述物体的几何形状，以及不带有曲线的平面，曲面，以及更复杂的三维空间形状。

它可以用来建立图像和数字地图，以及多维空间分析，可以用来描述复杂的三维物体，可以用来创建电脑模拟（CAD）和图形学技术，为进行机器人操作和智能控制等等作准备。

向量代数和空间解析几何的结合，被用来解决一系列的物理问题，这其中包括火箭发射，飞行器姿态控制系统，重力计算，飞行探测器以及机器人控制等等。

它们最重要的用途是用来模拟空间物体之间的碰撞，控制物理模型，以及快速而可靠地估算物体之间的位置关系，以此实现实时监控和精确控制。

向量代数和空间解析几何在各个领域都有着广泛的应用，从建筑设计，自动驾驶，空间探测，飞行模拟系统，机器人控制，虚拟现实等等，都离不开它们。

它们提供了关于物体在空间中的表示及其形状变换的精确方法，它们还可以用来计算物体之间的距离和它们在空间中的关系，从而在空间中建立有效的模型。

第八章空间解析几何与向量代数 公共数学教研室空间解析几何主要研究空间几何图形, 把数学研究的两个基本对象“数”和“形”统一起来, 达到用代数方法解决几何问题, 用几何方法解决代数问题.本章引进向量及其代数运算, 讨论向量的各种运算规律, 介绍空间曲面和空间曲线, 以向量为工具来研究平面和空间直线, 最后介绍二次曲面.8.1 向量及其线性运算 8.2 向量的数量积8.3 向量的向量积混合积 8.4 平面及其方程8.5 空间直线及其方程 8.6 直线平面之间的关系 8.7 曲面及其方程8.8 空间曲线和向量函数8.1 向量及其线性运算vector and linear operation8.1.1 空间直角坐标系在空间中任取一点O, 作互相垂直的数轴Ox, Oy, Oz, 分别叫做x 轴 (横轴), y 轴 (纵轴), z 轴 (竖轴), 统称坐标轴, 三个坐标轴符合右手法则. 这样的三条坐标轴组成一个空间直角坐标系, 点O 叫做坐标原点 (或原点).三条坐标轴中的任意两条确定一个平面, 分别称为xOy 面, yOz 面及zOx 面. 三个坐标面把空间分成八个部分, 每一部分叫做一个卦限.x 轴, y 轴, z 轴上点的坐标分别表示为 (0, 0, z ), (0, y , 0), (0, 0, z ); xOy 面, yOz 面, zOx 面上点的坐标分别表示为 (x , y , 0), (0, y , z ), (x , 0, z ).22212212121||()()().M M x x y y z z =-+-+- 设有序数 (x , y , z ) 与空间点 M 一一对应, 依次称 x , y 和 z 为点M 的横坐标, 纵坐标和竖坐标. 点 M 通常记为 M (x , y , z ).空间中两点M 1 (x 1, y 1, z 1), M 2 (x 2, y 2, z 2) 间的距离公式为设 M 为空间中一点, 过 M 作三个平面分别垂直于 x 轴, y 轴, z 轴, 与 x 轴, y 轴, z 轴的交点依次为 P , Q , R , 这三个点在 x 轴, y 轴, z 轴的坐标依次为 x , y , z . 于是 M 唯一地确定了一个有序数组 (x , y , z ); 反之, 一有序数组 (x , y , z ) 唯一确定空间一点 M . 这样, 就建立了空间的点 M 和有序数组 (x , y , z ) 之间的一一对应关系. x z y ⑻O⑷⑶⑵⑴⑺⑹⑸R P QO x z y8.1.2 向量的概念及其坐标表示只有大小的量称为数量 (或标量), 如时间, 温度, 长度等. 既有大小又有方向的量称为向量 (或矢量), 例如位移 , 速度 , 加速度 , 力 等.s v a F 向量包含两个要素 — 大小和方向. 有向线段也具有这两个要素, 因此可用有向线段 表示向量, 其大小是有向线段的长度, 其方向是从 A 到 B 的方向, A 是向量的起点, B 是向量的终点. 若记 则称 为的一个几何表示 . AB ,v AB AB v 向量 的大小, 叫做向量的模或长度, 记为v ||.v向量仅由其大小和方向确定, 与其位置无关, 故向量被称为自由向量. 因此, 若两个向量大小相等, 方向相同, 称这两个向量相等.将两个向量移到同一始点, 如果它们位于一条直线上, 且两个终点分布在始点的同一侧, 则称这两个向量方向相同; 如果它们位于一条直线上, 且两个终点分布在始点的两侧, 则称这两个向量方向相反. 长度是零的向量称为零向量, 记为 , 零向量的方向可以认为是任意的.如图, 向量 位置不同, 但它们的长度相同, 且它们所在的线段有相同的斜率,即它们的方向相同, 所以,,OP AB CD P (2, 1)O C (1, 3)D (3, 4)A (- 3, - 3)B (- 2, - 2)x y .OP AB CD == 向量具有平移不变性, 若将向量 平移, 使其起点与原点 O 重合, 终点位于 P , 则 故 可由 P 的座標確定.AB ,AB OP = AB 定义 8-1 一个二元有序实数组 {a , b } 称为一个二维向量, 二维向量的全体记作 V 2. 一个三元有序实数组 {a , b , c } 称为一个三维向量. 三维向量的全体记作 V 3, 其中实数 a , b , c 称为向量的分量, 也称为向量的坐标.2121{,}v x x y y =-- 定义 8-2 若 M 1 (x 1, y 1), M 2 (x 2, y 2) 为平面上两点, 则二维向量 表示由有向线段 所表示的向量. 12M M 212121{,,}v x x y y z z =--- 若 M 1 (x 1, y 1, z 1), M 2 (x 2, y 2, z 2) 为空间中两点, 则三维向量表示由有向线段 所表示的向量. 12M M 22212212121||||()()()v M M x x y y z z ==-+-+-给定向量任意取定 A (x 0, y 0, z 0), 记 B = (x + x 0, y + y 0, z + z 0), P = P (x , y , z ),则{,,},r x y z = .r AB OP == 称为点 P (x , y , z ) 的位置向量,{,,}r x y z = 222|||{,,}|r x y z x y z ==++ 222||02(1) 5.AB =++-= 例 1 已知 A (1, 0, 2), B (1, 2, 1) 是空间两点, 求向量 和它的模.AB 解{11,20,12}{0,2,1},AB =---=-对三维向量 8.1.3 向量的线性运算 定义 8-3 设 是两个二维向量, 称向量 {a x + b x , a y + b y }为向量 和的和, 记作 即{,},{,}x y x y a a a b b b == a b ,a b + {,}{,}{,}.x y x y x x y y a b a a b b a b a b +=+=++ {,,},{,,},x y z x y z a a a a b b b b == 类似有{,,}{,,}{,,}.x y z x y z x x y y z z a b a a a b b b a b a b a b +=+=+++几何上, 向量加法服从三角形法则及平行四边形法则.A yx O B a x b x a y b y a b a b + A y O a x a y b y C xB b x a b a b +定义 8-4 设向量 c 为实数, 称向量 { c a x , c a y } 为向量 与数量 c 的乘积. 记作 即其模{,},x y a a a = a ,c a {,}{,},x y x y c a c a a c a c a == ||||||.c a c a = 对于三维向量, 类似有c {a x , a y , a z } = {c a x , c a y , c a z }. c > 0 时, c 与平行, 且方向相同; c < 0 时 c 与 平行, 且方向相反.a a a a 称 为 的负向量.(1)a a -=- a 与 的和称为 与的差, 记为 b a b - a .a b -证 仅需证明必要性. 设则存在 λ, 使得 ,a b .b a λ= 若又有则 故 所以 λ = μ .,b a μ= ()0,a λμ-= |||||0|0,a λμ-== 定理 1 设 是两个向量, 且 则 的充分必要条件是存在唯一常数 λ 使得 ,a b a b .b a λ= 0≠a向量的加法运算和数乘运算统称为向量的线性运算. 向量的线性运算满足下列法则 :(1) (交换律) .a b b a +=+ (2) (结合律) ()().a b c a b c ++=++ (4) ()0.a a +-= (6) ().a a a λμλμ+=+ (7) ()().a a λμλμ= (8) 1.a a ⋅= (5) ().ab a b λλλ+=+ (3) a a =+0由于向量的加法符合交换律和结合律, 故 n 个向量相加可写成,||.||a a a e a a e a == 12.n a a a +++ n 个向量相加复合多边形法则 : 使前一向量的终点与后一向量的起点重合, 相继作向量 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, 这个向量即和向量.12,,,,n a a a 模为 1 的向量称为单位向量. 记非零向量 的单位化向量为则a ,a eV 3 中, 与 x 轴, y 轴, z 轴的正向同向的单位向量记为{1,0,0},{0,1,0},{0,0,1}.i j k === 称 为 V 3 中的一组标准基.,,i j k a 设 则 可由 线性表示, 即{,,},x y z a a a a = ,,i j k {1,0,0}{0,1,0}{0,0,1}.x y z x y z a a a a a i a j a k =++=++ {1,0},{0,1}i j == 二维的情形,是 V 2 的一组标准基.例 2 设 求{1,1,3},{2,1,2},a b =-=- (1) 32;c a b =- (2) 用标准基 表示向量,,i j k ;c (3) 求与同方向的单位向量.c 解 (1)323{1,1,3}2{2,1,2}{34,32,94}{1,1,5}.c a b =-=---=--+-=-- (2)5.c i j k =--+ 所以 222(3)||(1)(1)533,c =-+-+= {1,1,5}.||33c c e c ==--解 作 12(),OP OP OP OP λ-=- 例 3 设两点 P 1 (x 1, y 1, z 1), P 2 (x 2, y 2, z 2). 在线段 P 1 P 2 上求一点 P (x , y , z ), 使由 P 分成的两个有向线段 的的比为定数 λ ( ≠ - 1), 即 12,P P PP 12.P P PP λ= O P 1P 2P 11112222{,,},{,,},{,,},OP x y z OP x y z OP x y z === 由于 及12,P P PP λ= 1122,,P P OP OP PP OP OP =-=-121212,,.111x x y y z z x y z λλλλλλ+++===+++所以 12(1),OP OP OP λλ+=+ 这就是定比分点公式.得到 121OP OP OP λλ+=+ ，得点 P 的坐标例 4 证明平行四边形的对角线互相平分.11(),22AE AC AB BC ==+ 解 设 ABCD 为平行四边形, AC , BD 的中点分别 为 E 及 F , 则D A FE B C 由定比分点公式 (λ = 1) 得1(),2AF AB AD =+ 即 E 与 F 重合, 即 AC 与 BD 互相平分.11()().22AF AB AD AB BC AE =+=+= 所以。

第五章 向量代数与空间解析几何（数学一）§5．1 向量代数一．空间直角坐标系从空间某定点O 作三条互相垂直的数轴，都以O 为原点，有相同的长度单位，分别称为x 轴，y 轴，z 轴，符合右手法则，这样就建立了空间直角坐标系，称O 为坐标原点。

1．两点间距离设点()1111,,z y x M ，()2222,,z y x M 为空间两点，则这两点间的距离可以表示为 ()()()21221221221z z y y x x M M d -+-+-==2．中点公式设()z y x M ,,为()1111,,z y x M ，()2222,,z y x M 联线的中点，则 2,2,2212121z z z y y y x x x +=+=+=二．向量的概念1．向量既有大小又有方向的量称为向量。

方向是一个几何性质，它反映在两点之间从一点A 到另一点B 的顺序关系，而两点间又有一个距离。

常用有向线段表示向量。

A 点叫起点，B 点叫终点，向量。

模为1的向量称为单位向量。

2．向量的坐标表示若将向量的始点放在坐标原点O ，记其终点M ，且点M 在给定坐标系中的坐标为()z y x ,,。

记以三个坐标轴正向为方向的单位向量依次记为k j i ,,，则向量OM 可以表示为 zk yj xi ++= 称之为向量OM 的坐标表达式，也可以表示为 ()z y x OM ,,=称zk yj xi ,,分别为向量OM 在x 轴，y 轴，z 轴上的分量。

称z y x ,,分别为向量OM 在x 轴，y 轴，z 轴上的投影。

记OM 与x 轴、y 轴、z 轴正向的夹角分别为γβα,,，则222cos zy x x ++=α222c o s zy x y ++=β 222c o s zy x z ++=γ方向余弦间满足关系1cos cos 222=++γβαcoxγβα,,描述了向量OM 的方向，常称它们为向量的方向角。

空间解析几何与向量代数的理论与应用空间解析几何是数学中的一个分支，它研究的是三维空间中的几何图形以及它们之间的关系和性质。

而向量代数是研究向量的运算法则和性质的数学分支。

本文将探讨空间解析几何和向量代数的理论和应用。

一、空间解析几何的基本概念1.1 空间直角坐标系空间直角坐标系是解析几何的基础，它是以三个互相垂直的坐标轴X、Y和Z为基准建立的。

通过直角坐标系，我们可以用数值表示空间中的点，用向量表示线段或有向线段。

1.2 空间点的向量表示在空间解析几何中，我们可以用向量表示空间中的点。

一个点在空间中的位置可以由其坐标表示，例如P(x, y, z)。

这个点P可以表示为一个具有方向的有向线段OP。

1.3 空间向量的运算法则空间向量可以进行加法、减法和数乘等运算。

加法运算满足向量的三角形法则和平行四边形法则，减法运算可以通过加法和数乘来表示。

二、向量的性质和运算法则2.1 向量的模、方向和单位向量向量有模、方向和长度，在解析几何中，我们可以用向量的坐标表示向量的模。

单位向量是模为1的向量，可以通过向量除以其模得到。

2.2 向量的数量积和向量积向量的数量积（内积）是一个标量，表示了两个向量之间的夹角关系。

向量的向量积（外积）是一个向量，表示了两个向量之间的垂直关系和面积。

三、空间解析几何的应用3.1 直线的方程和位置关系通过解析几何的方法，我们可以推导出直线的方程以及直线之间的位置关系，例如平行、垂直和相交。

3.2 平面的方程和位置关系解析几何也可以用于研究平面的方程和位置关系，通过平面的法线和一个点，我们可以得到平面的方程。

3.3 空间图形的投影在解析几何中，我们可以通过投影的方法来研究三维空间中的图形。

例如，通过平行投影得到二维平面上的图形，或者通过垂直投影得到三维图形在二维平面上的投影。

四、向量代数的理论与应用4.1 向量的线性运算向量代数中的线性运算包括向量的加法和数乘，满足交换律、结合律和分配律。

向量代数和空间解析几何向量代数和空间解析几何是数学中非常重要的概念，既可以处理经典几何问题，又可以用于表达数学模型。

它们在科学技术、计算机图形学、矩阵计算等方面都有着广泛的应用。

向量代数是计算机科学家和数学家在处理空间问题时最常使用的方法。

它利用向量来描述空间中的点、直线和平面。

向量代数可以用来计算空间的大小、形状、方向、坐标变换等概念。

向量代数涉及的内容主要有线性代数系统、矩阵运算、向量空间等。

它在科技计算机图形学、建模和科学仿真中被广泛使用。

空间解析几何是在几何学中一类研究空间几何结构的重要分支学科。

它被广泛应用于工程、机械、制图学等方面，是解决建筑、室内装潢、雕塑、建筑园林设计、制图学等问题的基础学科。

主要内容有平面几何和立体几何，包括平面的直线、圆弧、多边形等，立体的点、直线、面等概念。

空间解析几何主要用来解决解空间几何图形的问题，是几何学中一类重要的问题。

向量代数和空间解析几何之间有着千丝万缕的联系，它们都是分析和处理空间几何图形的重要工具。

向量代数主要用来解决空间的大小、形状、方向等问题，而空间解析几何则主要用于处理空间中的点、直线和平面等结构。

它们的结合可以清楚的表示空间的量化和定义，是建立数学模型的基础和工具。

向量代数和空间解析几何在科技、计算机图形学、建模和科学仿真方面都有着广泛的应用。

它们可以帮助我们更准确地表示和分析空间问题，为解决实际问题提供帮助，在进一步提高科学技术水平中发挥着重要的作用。

综上所述，向量代数和空间解析几何是数学中重要的概念，可以在科学技术、计算机图形学、矩阵计算等方面得到广泛应用，为解决实际问题提供帮助，在进一步提高科学技术水平中发挥着重要的作用。

它们的结合可以更为清楚地表示和分析空间几何图形，为建立数学模型提供基础。