空间解析几何解几本章习题课

1、习题课习题课2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系2一、主要内容一、主要内容（一）向量代数（一）向量代数（二）空间解析几何（二）空间解析几何2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系3向量的向量的线性运算线性运算向量的向量的表示法表示法向量积向量积数量积数量积混合积混合积向量的积向量的积向量概念向量概念（一）向量代数（一）向量代数2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系41 1、向量的概念、向量的概念定义定义:既有大小又有方向的量称为向量既有大小又有方向的量称为向量.自由向量、自由向量、 相等向量、相等向量、 负向量、负向量、向径向径.重要概念重要概念:零向量、零向量、向量的

2、模、向量的模、单位向量、单位向量、平行向量、平行向量、2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系5(1) 加法：加法：cba 2 2、向量的线性运算、向量的线性运算dba ab(2) 减法：减法：cba dba (3) 向量与数的乘法：向量与数的乘法：设设 是一个数，向量是一个数，向量a与与 的乘积的乘积a 规定为规定为, 0)1( a 与与a同向，同向，|aa , 0)2( 0 a , 0)3( a 与与a反向，反向，|aa 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系6向量的分解式：向量的分解式：,zyxaaaa .,轴上的投影轴上的投影分别为向量在分别为向量在其中其中zyxaaaz

3、yxkajaiaazyx 在三个坐标轴上的分向量：在三个坐标轴上的分向量：kajaiazyx,向量的坐标表示式：向量的坐标表示式：向量的坐标：向量的坐标：zyxaaa,3 3、向量的表示法、向量的表示法2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系7向量的加减法、向量与数的乘积等的坐标表达式向量的加减法、向量与数的乘积等的坐标表达式,zyxaaaa ,zyxbbbb ,zzyyxxbabababa ,zzyyxxbabababa ,zyxaaaa kbajbaibazzyyxx)()()( kbajbaibazzyyxx)()()( kajaiazyx)()()( 2007年8月南京航空航天大

4、学 理学院 数学系8222|zyxaaaa 向量模长的坐标表示式向量模长的坐标表示式222coszyxxaaaa 222coszyxyaaaa 222coszyxzaaaa 向量方向余弦的坐标表示式向量方向余弦的坐标表示式)1coscoscos(222 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系94 4、数量积、数量积 cos|baba 其其中中 为为a与与b的的夹夹角角(点积、内积点积、内积)zzyyxxbabababa 数量积的坐标表达式数量积的坐标表达式ba 0 zzyyxxbababa222222coszyxzyxzzyyxxbbbaaabababa 两向量夹角余弦的坐标表示式两向

5、量夹角余弦的坐标表示式2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系105 5、向量积、向量积 sin|bac 其其中中 为为a与与b的的夹夹角角c的方向既垂直于的方向既垂直于a，又垂直于，又垂直于b，指向符合，指向符合右手系右手系.(叉积、外积叉积、外积)kbabajbabaibabaxyyxzxxzyzzy)()()( 向量积的坐标表达式向量积的坐标表达式ba 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系11zyxzyxbbbaaakjiba ba/zzyyxxbababa cbacba )(zyxzyxzyxcccbbbaaa 6 6、混合积、混合积2007年8月南京航空航天大学 理学

6、院 数学系12直直 线线曲面曲面曲线曲线平平 面面参数方程参数方程旋转曲面旋转曲面柱柱 面面二次曲面二次曲面一般方程一般方程参数方程参数方程一般方程一般方程对称式方程对称式方程 点法式方程点法式方程一般方程一般方程空间直角坐标系空间直角坐标系（二）空间解析几何（二）空间解析几何2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系13x横轴横轴y纵轴纵轴z竖轴竖轴 定点定点o1 1、空间直角坐标系、空间直角坐标系空间的点空间的点有序数组有序数组),(zyx2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系14xyoz空空间间直直角角坐坐标标系系共有一个原点共有一个原点,三个坐标轴三个坐标轴,三个坐标面三个

7、坐标面,八个卦限八个卦限.2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系15 21221221221zzyyxxMM 它们距离为它们距离为设设),(1111zyxM、),(2222zyxM为为空空间间两两点点两点间距离公式两点间距离公式:2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系16曲面方程的定义：曲面方程的定义：如果曲面如果曲面S与三元方程与三元方程0),( zyxF有下述关系：有下述关系：(1) 曲面曲面S上任一点的坐标都满足方程；上任一点的坐标都满足方程；那那么么，方方程程0),( zyxF就就叫叫做做曲曲面面S的的方方程程，而而曲曲面面S就就叫叫做做方方程程的的图图形形.2 2、曲

8、面、曲面(2) 不在曲面不在曲面S上的点的坐标都不满足方程；上的点的坐标都不满足方程；2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系17研究空间曲面的两个基本问题：研究空间曲面的两个基本问题：（2）已知坐标间的关系式，研究曲面形状）已知坐标间的关系式，研究曲面形状.（1）已知曲面作为点的轨迹时，求曲面方程）已知曲面作为点的轨迹时，求曲面方程.1 旋转曲面旋转曲面定义：以一条平面曲线绕定义：以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面称之一周所成的曲面称之.这条定直线叫旋转曲面的这条定直线叫旋转曲面的轴轴.2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系18方程特点方

9、程特点:0),()2(0),()1(00),(:2222 yzxfyLzyxfxLzyxfL方程为方程为轴旋转所成的旋转曲面轴旋转所成的旋转曲面绕绕曲线曲线方程为方程为轴旋转所成的旋转曲面轴旋转所成的旋转曲面绕绕曲线曲线设有平面曲线设有平面曲线2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系19（2）圆锥面）圆锥面222zyx （1）球面）球面（3）旋转双曲面）旋转双曲面1222222 czayax1222 zyx2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系202 柱面柱面定义：定义：平行于定直线并沿定曲线平行于定直线并沿定曲线C移动的直线移动的直线L所形成的曲面称之所形成的曲面称之.这条定曲

10、线叫柱面这条定曲线叫柱面的的准线准线，动直线叫，动直线叫柱面的柱面的母线母线.2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系21从柱面方程看柱面的特征：从柱面方程看柱面的特征： 只只含含yx,而而缺缺z的的方方程程0),( yxF，在在空空间间直直角角坐坐标标系系中中表表示示母母线线平平行行于于z轴轴的的柱柱面面，其其准准线线为为xoy面面上上曲曲线线C.(1) 平面平面 xy 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系22(3) 抛物柱面抛物柱面 )0(22 ppyx(4) 椭圆柱面椭圆柱面 12222 byax(2) 圆柱面圆柱面 222Ryx 2007年8月南京航空航天大学 理学院

11、数学系233 二次曲面二次曲面定义定义:三元二次方程所表示的曲面称为二次曲面三元二次方程所表示的曲面称为二次曲面.（1）椭球面）椭球面1222222 czbyaxzqypx 2222（2）椭圆抛物面）椭圆抛物面)(同号同号与与qp2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系24zqypx 2222（3）马鞍面）马鞍面)(同号同号与与qp（4）单叶双曲面）单叶双曲面1222222 czbyax（5）圆锥面）圆锥面222zyx 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系253 3、空间曲线、空间曲线 0),(0),(zyxGzyxF1 空间曲线的一般方程空间曲线的一般方程 )()()(tzz

12、tyytxx2 空间曲线的参数方程空间曲线的参数方程2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系26 22222)21()21(1yxyxz 2sinsin2121cos21tztytx如图空间曲线如图空间曲线一般方程为一般方程为参数方程为参数方程为2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系273 空间曲线在坐标面上的投影空间曲线在坐标面上的投影 0),(0),(zyxGzyxF消去变量消去变量z后得：后得：0),( yxH设空间曲线的一般方程：设空间曲线的一般方程： 00),(zyxH曲线在曲线在 面上的投影曲线为面上的投影曲线为xoy 00),(xzyR 00),(yzxT面上的投影

13、曲线面上的投影曲线yoz面上的投影曲线面上的投影曲线xoz2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系28如图如图:投影曲线的研究过程投影曲线的研究过程.空间曲线空间曲线投影曲线投影曲线投影柱面投影柱面2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系294 空间立体或曲面在坐标面上的投影空间立体或曲面在坐标面上的投影空间立体空间立体曲面曲面2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系304 4、平面、平面,CBAn ),(0000zyxMxyzon0MM1 平面的点法式方程平面的点法式方程0)()()(000 zzCyyBxxA2 平面的一般方程平面的一般方程0 DCzByAx1 czbya

14、x3 平面的截距式方程平面的截距式方程xyzoabc2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系310:11111 DzCyBxA0:22222 DzCyBxA4 平面的夹角平面的夹角222222212121212121|cosCBACBACCBBAA 5 两平面位置特征：两平面位置特征：21)1( 0212121 CCBBAA21)2( /212121CCBBAA 1 1n2 2n 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系325 5、空间直线、空间直线0:11111 DzCyBxA0:22222 DzCyBxA 00:22221111DzCyBxADzCyBxAL1 空间直线的一般方

15、程空间直线的一般方程xyzo1 2 L2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系33xyzosL0M M 3 空间直线的参数方程空间直线的参数方程pzznyymxx000 2 空间直线的对称式方程空间直线的对称式方程 ptzzntyymtxx000),(0000zyxM,pnms 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系34直线直线:1L111111pzznyymxx 直线直线:2L222222pzznyymxx 22222221212121212121|),cos(pnmpnmppnnmmLL 两直线的夹角公式两直线的夹角公式4 两直线的夹角两直线的夹角2007年8月南京航空航天大

16、学 理学院 数学系355 两直线的位置关系：两直线的位置关系：21)1(LL 0212121 ppnnmm21)2(LL/212121ppnnmm pzznyymxxL000: 0: DCzByAx6 直线与平面的夹角直线与平面的夹角2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系36222222|sinpnmCBACpBnAm 直线与平面的夹角公式直线与平面的夹角公式)20( 7 直线与平面的位置关系直线与平面的位置关系 L)1(pCnBmA L)2(/0 CpBnAm2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系37二、典型例题二、典型例题例例1 1解解共面共面且且，使使，求一单位向量求一单

17、位向量，已知已知bancnnkjickjbia,22,2000 ,0kzj yi xn 设设由题设条件得由题设条件得10 ncn 0ban 0 020221222zyzyxzyx解得解得).323132(0kjin 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系38例例2 2解解.401284, 0405:角的平面方程角的平面方程组成组成且与平面且与平面求过直线求过直线 zyxzxzyx过已知直线的平面束方程为过已知直线的平面束方程为, 0)4(5 zxzyx , 04)1(5)1( zyx即即.1 , 5 ,1 n其法向量其法向量.8, 4, 1 n又已知平面的法向量又已知平面的法向量200

18、7年8月南京航空航天大学 理学院 数学系39由题设知由题设知114cosnnnn 222222)1(5)1()8()4(1)8()1()4(51)1( ,2723222 即即由此解得由此解得.43 代回平面束方程为代回平面束方程为. 012720 zyx2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系40例例3 3解解.1243:,12:)1 , 1 , 1(210LxzxyLxzxyLM都相交的直线都相交的直线且与两直线且与两直线求过点求过点 将两已知直线方程化为参数方程为将两已知直线方程化为参数方程为 1243:,12:21tztytxLtztytxL的交点分别为的交点分别为与与设所求直线设

19、所求直线21, LLL2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系41).12 , 43 ,()1,2 ,(222111 tttBtttA和和,)1 , 1 , 1(0三点共线三点共线与与BAM).(00为实数为实数故故 BMAM 即有即有,00对应坐标成比例对应坐标成比例于是于是BMAM,1)12(1)1(1)43(1211212121 tttttt2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系42, 0, 021 tt解之得解之得)3 , 2 , 2(),1, 0 , 0(BA ,)3 , 2 , 2()1 , 1 , 1(0上上同在直线同在直线和和点点LBM的方程为的方程为故故 L.2

20、11111 zyx2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系43例例4 4解解.02:01012:上的投影直线的方程上的投影直线的方程在平面在平面求直线求直线 zyxzyxzyxL的平面束方程为的平面束方程为过直线过直线 L, 0)1()12( zyxzyx . 0)1()1()1()2( zyx即即 L2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系44, 014 即即41 故故,代入平面束方程代入平面束方程将将 . 013 zyx得得所求投影直线方程为所求投影直线方程为.02013 zyxzyx, 垂直于平面垂直于平面又又. 0)1()1(2)1(1)2( 2007年8月南京航空航天大学

21、 理学院 数学系45例例5 5解解.,1101:求旋转曲面的方程求旋转曲面的方程轴旋转一周轴旋转一周绕绕直线直线zzyxL ), 1(111zyM设直线上一点设直线上一点,11zy 有有位置位置到达到达旋转后旋转后),(), 1(111zyxMzyM由于高度不变由于高度不变,1zz 有有,1不因旋转而改变不因旋转而改变轴的距离轴的距离到到和和又又rzMM2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系462121yr 故故,22yx ,11yzz 由于由于故所求旋转曲面方程为故所求旋转曲面方程为. 1222 zyx2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系47一一、 选选择择题题： 1 1、

22、 若若a，b为为共共线线的的单单位位向向量量， 则则它它们们的的数数量量积积 ba （ ）. . （A A） 1 1； （B B）- -1 1； （C C） 0 0； （D D）),cos(ba. .2 2、 向向量量 ba与与二二向向量量a及及b的的位位置置关关系系是是（ ）. .（A A） 共共面面； （B B）共共线线；（C C） 垂垂直直； （D D）斜斜交交 . .测测 验验 题题 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系483 3、设设向向量量Q与与三三轴轴正正向向夹夹角角依依次次为为 ,，当当 0cos 时时，有有（ ）4 4、设设向向量量Q 与与三三轴轴正正向向夹夹角角依

23、依次次为为 ,当当 1cos 时时有有（ ）面面面面面面面；面；xozQDxozQCyozQBxoyQA )(;)(;)()(面面面面面面面；面；xoyQDxozQCyozQBxoyQA)(;)(;)()( 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系495 5、 2)( （ ）（A A）22 ； （B B）222 ；（C C）22 ； （D D）222 . .6 6、 设平面方程为、 设平面方程为0 DCzBx， 且， 且0, DCB， 则则 平面平面（ ）. .（A A） 轴轴平行于平行于 x；（B B） 轴轴平行于平行于 y；（C C） 轴轴经过经过 y；（D D） 轴轴垂直于垂直于

24、y. .2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系507 7、设直线方程为、设直线方程为 00221111DyBDzCyBxA且且 0,221111 DBDCBA, ,则直线则直线（ ）. .（A A） 过原点；过原点； （B B）轴轴平行于平行于 z； （C C）轴轴垂直于垂直于 y； （D D）轴轴平行于平行于 x. .8 8、曲曲面面052 xyzxyz与与直直线线351 yx 710 z的的交交点点是是（ ）. .（A A）)4,1,2(,)3,2,1( ；（B B）)3,2,1(；（C C）)4,3,2(；（D D）.)4,1,2( 2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系

25、519 9、已知球面经过、已知球面经过)1,3,0( 且与且与xoy面交成圆周面交成圆周 01622zyx，则此球面的方程是，则此球面的方程是（ ）. . （A A）0166222 zzyx； （B B）016222 zzyx； （C C）0166222 zzyx； （D D）0166222 zzyx. .1010、下列方程中所示曲面是双叶旋转双曲面的是、下列方程中所示曲面是双叶旋转双曲面的是 （ ）. . （A A）1222 zyx； （B B）zyx422 ； （C C）14222 zyx； （D D）1169222 zyx. .2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系52二、二、

26、已知向量已知向量ba,的夹角等于的夹角等于3 ，且，且5,2 ba，求，求)3()2( baba . .三、三、 求向量求向量4 , 3, 4 a在向量在向量1,2,2 b上的投上的投影影 . .四、四、 设平行四边形二边为向量设平行四边形二边为向量;1 , 3, 1 a 3 , 1, 2 b，求其面积，求其面积 . .五、五、 已 知已 知,ba为 两 非 零 不 共 线 向 量 ， 求 证 ：为 两 非 零 不 共 线 向 量 ， 求 证 ：)()( baba)(2 ba. .2007年8月南京航空航天大学 理学院 数学系53六、六、 一动点与点一动点与点)0,0,1(M的距离是它到平面的距离是它到平面4 x的的距离的一半，试求该动点轨迹曲面与距离的一半，试求该动点轨迹曲面与yoz面的交线面的交线方程方程 . .七、七、 求直线求直线L：,85213 tztytx在三个坐标面上及平面在三个坐标面上及平面: 083 zyx上的投