高数笔记 P06:向量代数与空间解析几何

1 向量

向量的模、方向角、投影

  • |r|=x2+y2+z2
  • 两点距|AB|=(x1x2)2+(y2y2)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|cosφφau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 ab=|a||b|cos(a,b^)=|a|Prjab=|b|Prjba=axbx+ayby+azbz
    • aa=|a|2
    • 交换律 ab=ba
    • 分配律 (a+b)c=ac+bc
    • (λa)b=λ(ab)
    • 两向量夹角θ,由此可得cosθ=ab|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(a,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]
    • a,b,c为棱的平行六面体的体积:V=|[abc]|
  • ab存在唯一实数λ使a=λba×b=0
  • abab=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(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0,其中(x0,y0,z0)为平面上任一点。
  • 截距式方程:xa+yb+zc=1a,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:xx0m=yy0n=zz0p,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(n1,n2^)|=|A1A2+B1B2+C1C2|A12+B12+C12A22+B22+C22
    • 两平面平行或者重合θ=0A1A2=B1B2=C1C2
    • 两平面垂直θ=π2A1A2+B1B2+C1C2=0
  • 两直线xx1m1=yy1n1=zz1p1, xx2m2=yy2n2=zz2p2 的夹角θ为两直线所成角度的直角或者锐角,满足:cosθ=|cos(s1,s2^)|=|m1m2+n1n2+p1p2|m12+n12+p12m22+n22+p22
    • 两直线平行或者重合θ=0m1m2=n1n2=p1p2
    • 两平面垂直θ=π2m1m2+n1n2+p1p2=0
  • 平面与直线的夹角θ满足sinθ=|cos(s,n^)|=|Am+Bn+Cp|A2+B2+C2m2+n2+p2
    • 平面与直线平行θ=0Am=Bn=Cp
    • 平面与直线垂直θ=π2Am+Bn+Cp=0
  • (x0,y0,z0)到平面Ax+By+Cz+D=0的距离为d=|Ax0+By0+Cz0+D|A2+B2+C2
  • (x0,y0,z0)到直线xx1m1=yy1n1=zz1p1的距离为d=|{x1x0,y1y0,z1z0}×{m1,n1,p1}|m12+n12+p12
  • 两条不想交的直线的距离为d=|[s1s2AB]||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:xx0x(t0)=yy0y(t0)=zz0z(t0)
  • 法平面方程:x(t0)(xx0)+y(t0)(yy0)+z(t0)(zz0)=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={Fx,Fy,Fz},n2={Gx,Gy,Gz}
  • 切线方程:记n1×n2={A,B,C}xx0A=yy0B=zz0C
  • 法平面方程:A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0

曲面

曲面:F(x,y,z)=0和其上一点(x0,y0,z0)

  • 法向量:n={Fx(x0,y0,z0),Fy(x0,y0,z0),Fz(x0,y0,z0)}
  • 切平面:Fx(x0,y0,z0)(xx0)+Fy(x0,y0,z0)(yy0)+Fz(x0,y0,z0)(zz0)=0
  • 法线方程:xx0Fx(x0,y0,z0)=yy0Fy(x0,y0,z0)=zz0Fz(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zφ(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Lx轴旋转产生的曲面方程为f(x,±y2+z2)=0
    • 曲线Ly轴旋转产生的曲面方程为f(±x2+z2,y)=0

柱面

  • 定义:由一条直线(母线)沿定曲线(准线)平行移动形成的轨迹所成的曲面。

  • 方程建立

    • 准线L{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0,母线的方向向量为{m,n,p}

      L上任取一点(x0,y0,z0),则母线方程为xx0m=yy0n=zz0p

      联立方程{F(x0,y0,z0)=0G(x0,y0,z0)=0xx0m=yy0n=zz0p, 消去x0,y0,z0,即可得到所求柱面方程。

    • 准线L{x=x(t)y=y(t)z=z(t),母线的方向向量为{m,n,p}

      柱面方程为{x=x(t)+msy=y(t)+nsz=z(t)+ps,这里t,s均为参数。

    • 设柱面的准线是xOy平面上的曲线{f(x,y)=0z=0,母线平行与x轴,则柱面方程为f(x,y)=0

  • 常用的柱面(这里的u,y为任意两个坐标轴)

    • 圆柱面 u2+v2=R2
    • 椭圆柱面 u2a2+v2b2=1
    • 抛物柱面 v2=2pu

二次曲面

  • 椭球面x2a2+y2b2+z2c2=1
  • 单叶双曲面 x2a2+y2b2z2c2=1
  • 双叶双曲面 x2a2y2b2+z2c2=1
  • 椭圆抛物面 x2a2+y2b2=2pz, (p>0)
  • 双曲抛物面 x2a2y2b2=2pz, (p>0)
  • 椭圆锥面(二次锥面) x2a2+y2b2z2c2=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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