1 向量
向量的模、方向角、投影
- |r|=√x2+y2+z2
- 两点距|AB|=√(x1−x2)2+(y2−y2)2+(z1+z2)2
- 方向角:非零向量与三个座标轴的夹角α,β,γ
- 方向余弦:⎧⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎨⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎩cosα=x|r|cosβ=y|r|cosγ=z|r|
- 向量方向上的单位向量e=(cosα,cosβ,cosγ),由此可得cos2α+cos2β+cos2γ=1
- u轴上的投影Prjur or (r)u
- Prjua=|a|cosφ,φ为a在u轴上的夹角。
- Prju(a+b)=Prjua+Prjub
- Prjuλa=λPrjua
向量代数运算
- 加减法:平行四边形法则,符合交换律、结合律。
- 数乘:符合结合律、分配律
数量积、向量积、混合积
- 数量积 a⋅b=|a||b|cos(ˆa,b)=|a|Prjab=|b|Prjba=axbx+ayby+azbz
- a⋅a=|a|2
- 交换律 a⋅b=b⋅a
- 分配律 (a+b)⋅c=a⋅c+b⋅c
- (λa)⋅b=λ(a⋅b)
- 两向量夹角θ,由此可得cosθ=a⋅b|a||b|
- 向量积 a×b=∣∣
∣
∣∣ijkaxayazbxbybz∣∣
∣
∣∣,几何意义:同时垂直于a,b的向量,满足右手规则。
- |a×b|=|a||b|sin(ˆa,b) (这个也是a,b为邻边组成的平行四边形的面积。
- a×a=0
- b×a=−a×b
- 分配律 (a+b)×c=a×c+a×c
- (λa)×b=a×(λb)=λ(a×b)
- 混合积[abc]=(a×b)⋅c=∣∣
∣
∣∣axayazbxbybzcxcycz∣∣
∣
∣∣
- 轮换对称性[abc]=[bca]=[cab]
- 两向量互换,混合积变号:[abc]=−[acb]=−[cba]=−[bac]
- 以a,b,c为棱的平行六面体的体积:V=|[abc]|
- a∥b⟺存在唯一实数λ使a=λb⟺a×b=0
- a⊥b⟺a⋅b=0
- a,b,c共面⟺[abc]=0
2 平面与直线
曲面方程F(x,y,z)=0
平面方程
- 一般式方程:Ax+By+Cz+D=0,n=A,B,C 为平面的法向量,A,B,C 不全为零。
- 点法式方程:A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0,其中(x0,y0,z0)为平面上任一点。
- 截距式方程:xa+yb+zc=1,a,b,c 为平面在三个坐标轴的截距,全不为零。
直线方程
- 一般方程:{A1x+B1y+C1z+D1=0A2x+B2y+C2z+D2=0
- 对称式方程:x−x0m=y−y0n=z−z0p,其中(x0,y0,z0)为直线上一点,s=(m,n,p)为直线的方向向量。
- 参数式方程:⎧⎨⎩x=x0+mty=y0+ntz=z0+pt
平面、直线之间的关系
- 两平面A1x+B1y+C1z+D1=0,A2x+B2y+C2z+D2=0 夹角θ为两平面所成角度的直角或者锐角,满足:cosθ=|cos(ˆn1,n2)|=|A1A2+B1B2+C1C2|√A21+B21+C21√A22+B22+C22
- 两平面平行或者重合θ=0⟺A1A2=B1B2=C1C2
- 两平面垂直θ=π2⟺A1A2+B1B2+C1C2=0
- 两直线x−x1m1=y−y1n1=z−z1p1, x−x2m2=y−y2n2=z−z2p2 的夹角θ为两直线所成角度的直角或者锐角,满足:cosθ=|cos(ˆs1,s2)|=|m1m2+n1n2+p1p2|√m21+n21+p21√m22+n22+p22
- 两直线平行或者重合θ=0⟺m1m2=n1n2=p1p2
- 两平面垂直θ=π2⟺m1m2+n1n2+p1p2=0
- 平面与直线的夹角θ满足sinθ=|cos(ˆs,n)|=|Am+Bn+Cp|√A2+B2+C2√m2+n2+p2
- 平面与直线平行θ=0⟺Am=Bn=Cp
- 平面与直线垂直θ=π2⟺Am+Bn+Cp=0
- 点(x0,y0,z0)到平面Ax+By+Cz+D=0的距离为d=|Ax0+By0+Cz0+D|√A2+B2+C2。
- 点(x0,y0,z0)到直线x−x1m1=y−y1n1=z−z1p1的距离为d=|{x1−x0,y1−y0,z1−z0}×{m1,n1,p1}|√m21+n21+p21。
- 两条不想交的直线的距离为d=|[s1s2→AB]||s1×s2|,其中A,B分别为两条直线上的一点。
3 曲面与曲线
曲线
曲线Γ的参数方程:⎧⎨⎩x=x(t)y=y(t)z=z(t),
- 切向量:τ={x′(t0),y′(t0),z′(t0}
- 切线方程:x−x0x′(t0)=y−y0y′(t0)=z−z0z′(t0)
- 法平面方程:x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0
曲线Γ的方程一般式:{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0,
- 切向量:τ=n1×n2,其中n1={F′x,F′y,F′z},n2={G′x,G′y,G′z}
- 切线方程:记n1×n2={A,B,C},x−x0A=y−y0B=z−z0C
- 法平面方程:A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0
曲面
曲面:F(x,y,z)=0和其上一点(x0,y0,z0)
- 法向量:n={F′x(x0,y0,z0),F′y(x0,y0,z0),F′z(x0,y0,z0)}
- 切平面:F′x(x0,y0,z0)(x−x0)+F′y(x0,y0,z0)(y−y0)+F′z(x0,y0,z0)(z−z0)=0
- 法线方程:x−x0F′x(x0,y0,z0)=y−y0F′y(x0,y0,z0)=z−z0F′z(x0,y0,z0)
空间曲线在坐标面上的投影
设有空间曲线Γ:{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0,先消去z得φ(x,y)=0,其投影的方程包含在{φ(x,y)=0z=0中。
(来自多元微分)
旋转曲面
- 定义:由一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面
- 设在xOy面上的曲线L:{f(x,y)=0z=0,则
- 曲线L绕x轴旋转产生的曲面方程为f(x,±√y2+z2)=0
- 曲线L绕y轴旋转产生的曲面方程为f(±√x2+z2,y)=0
柱面
二次曲面
- 椭球面x2a2+y2b2+z2c2=1
- 单叶双曲面 x2a2+y2b2−z2c2=1
- 双叶双曲面 −x2a2−y2b2+z2c2=1
- 椭圆抛物面 x2a2+y2b2=2pz, (p>0)
- 双曲抛物面 x2a2−y2b2=2pz, (p>0)
- 椭圆锥面(二次锥面) x2a2+y2b2−z2c2=0
本文作者:Indie Moments
本文链接:https://www.cnblogs.com/ixtwuko/p/advanced-mathematics-p06.html
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