第七章空间解析几何与向量代数学习指导

1第七章空间解析几何与向量代数在这一章中，首先建立空间直角坐标系，引进自由向量，并以坐标和向量为基础，用代数的方法讨论空间的平面和直线，在此基础上，介绍一些常用的空间曲线与曲面。通过这一章的学习，培养空间想象能力，娴熟的向量代数的计算能力和推理、演绎的逻辑思维能力。也为学习多元微积分做准备。重点：曲面方程，曲线方程难点：较深刻地理解曲面（平面）、曲线（直线）方程，并能把握方程所表示的图形的特征。（一）1．空间笛卡尔坐标系的构成：空间的一个定点O，连同三个两两互相垂直的有序向量组，称为笛卡尔坐标系。当1e，2e，3e的相互关系和右手拇指、食指、中指相同时，称为右手坐标系。在通常的讨论中，常用右手笛卡尔坐标系。关于一般的坐标系称为仿射坐标系，有兴趣的同学可参阅《空间解析几何》这类专业教材。2．空间向量可以从两个途径来认识：①由定义：具有大小和方向的量称为向量，因此可由方向（可由方向角来确定）连同大小（模长）来确定（注意，这样定义的向量称为自由向量，简称向量，自由向量与起点和终点无关）。书上往往用黑体字母表示，手写时用黑体并不方便，常在字母上面加一个箭头表示，例：AB，a等。②可由向量的坐标来把握向量。必须分清向量坐标与点坐标这两个概念，一般情况下，设zyxa,,的始点的坐标分别为321,,xxx，321,,yyy，则121212,,zzyyxxa，即向量的坐标与向量的起点及终点的坐标间有下列关系：12xxx，12yyy，12zzz。因此，若确定了向量的坐标，则这个向量就确定了。当向量的起点与坐标系的原点重合时，向量的坐标与向量的终点的坐标在数值上相等。3．在学习向量的代数运算时，利用几何或物理模型比较容易掌握。如求向量的加法和减法可以平行四边形或以力的相加或相减为模型，求两向量的数量积可以求力在某段路程上所作的功为模型，求两向量的向量积可以求力关于某点的力矩为模型，并要熟2练掌握每种运算的算律。4．一个平面具有各种形式的方程，如点法式，三点式，截距式，一般式。在学习平面的各种形式的方程时，对方程中常数的几何意义应引起充分的注意。如：平面方程0DCzByAx，则CBA,,为平面的一个法向量，建立平面的方程时应根据条件灵活处理。点法式方程是应用较方便，常用的方程类型，这是因为在讨论平面问题时，平面的法向量常常起着关键性的作用。5．确定空间一条直线的方法很多，在《高等数学》中把它归结为由直线上的一个定点和与直线平行的一个非零向量来确定，或将它看成两个平面的交线。空间直线的标准式方程与参数式方程，二维空间中的直线均有对应的形式，但要注意，只有空间直线可看成两个平面的交线。6．在《高等数学》中，常用的曲面方程为：椭球面方程1222222czbyax，当ba或cb或ac时为旋转椭球面，当cba时，为球面方程。双曲面方程,1,1222222czbyax双叶双曲面单叶双曲面锥面方程0,0222abcczbyax抛物面方程双曲抛物面椭圆抛物面,,22222qypxqypxz，其中0pq柱面方程0,zyF，母线平行于x轴的柱面方程0,zxF，母线平行于y轴的柱面方程旋转面方程母线00,xzyf0,:0,:2222zxyfyzyxfz轴旋转所得旋转面方程绕轴旋转所得旋转面方程绕（二）31．向量在轴上的投影是个常用的概念，要注意向量在轴上的投影是一个数量而不是一个向量，也不是一个线段。设向量AB，其中投影轴为l，点A，B在轴上的投影分别为A，B，若取与轴同方向的单位向量为e，则有,exBA称x为AB在轴l上的投影。因此向量AB在轴上的投影不是有向线段BA，而是一个数值，记为ABjlPr，易知ABjlPrcos||AB，其中为AB与轴l的夹角。2．向量在坐标轴上的投影称为向量的坐标。3．向量的数量积，向量积一览表：baba定义bababa^cos||||ba^00^sin||||nbababa，其中0n是同时垂直于a，b的单位向量，且a，b，0n按右手系排列坐标表示zyxaaaa,,，zyxbbbb,,zzyyxxbabababazyxaaaa,,，zyxbbbb,,zyxzyxbbbaaakjiba特征性质0baba即0zzyyxxbababa0//baba即zzyyxxbababa几何应用点1111,,zyxM到平面的距离为||100MMnd，(*1)，其中0n为平面的单位法向量，0M是上的任一点，当0d时，(*1)式给出动点1M所满足的平面的方程。点1111,,zyxM到直线l的距离为||100MMld，(*2)，其中0l为直线l上的单位向量，0M是直线l上的任一点。当0d时，(*2)式给出动点1M所满足的直线的方程。4．要熟练掌握平面，直线的各种形式的方程互化，关键在于明确在各种形式的方4程中，各个量（常量、变量）的几何意义以及它们之间的关系，在此基础上，互化是容易做到的。如建立平面的三点式方程时，若硬记公式则不容易记牢的，但从三个向量共面的角度去思考就能牢牢地记住。5．要深刻理解空间直角坐标系下平面的方程是一个关于x，y，z的一次方程。反之，任何一个关于x，y，z的一次方程都表示一个平面。6．平面与平面、直线与直线、平面与直线间的位置关系均是通过平面的法向量间，直线的方向向量间，或平面法向量与直线的方向向量间的位置关系来讨论，因此可归结为向量问题来解决。如：两个平面间的夹角问题通过它们的法向量的夹角来解决。7．常用的曲面方程见（A）中6，要真正掌握这些曲面的形状、特征，可以用“平行平面截割法”，也就是用一族平行平面（一般平行于坐标面）来截割曲面，研究所截得的一族曲线是怎样变化的，从这一族截线的变化情况即可推想出所表示的曲面的整体形状，这是认识曲面的重要方法，它的基本思想是把复杂的空间图形归结为比较容易认识的平面曲线。8．空间曲线一般由两个曲面相交而得，这样的曲面有无穷多个，若曲线的形状不易把握时，可先将两个曲面方程通过消去未知数的方法得两个过曲线的射影柱面的方程，而射影柱面的形状是较容易把握的。9．空间曲面和曲线除了利用图形上的点的坐标所满足的关系建立方程外，还常用参数方程来表示。参数方程的特征是方程中既有表示坐标的变量，也有坐标以外的其他变量（称参数），且坐标变量x，y，z分别可以表示成参数的函数。10．曲线（直线）的参数方程均含一个参数，曲面（平面）的参数方程含两个参数。简单的参数方程消去参数后可化得普通方程，但并不是所有的参数方程都能化成普通方程的。（三）1．三个向量相乘有混合积cba和双重向量积cba，其中双重向量积的讨论可见《空间解析几何》这类专业教材，对于混合积在高等数学中应用较多，它具有一个十分重要的几何意义，即当a，b，c不共面时，cba,,的绝对值等于a，b，c为棱的平行六面体的体积。因此利用混合积可以解决求一类体积的问题。2．三个以上的向量相乘的问题总可转化为三个向量相乘，因此可归结为三个向量5相乘来讨论。3．混合积的坐标表示与特征性质设zyxaaaa,,，zyxbbbb,,，zyxcccc,,，则zyxzyxzyxcccbbbaaacbacba,,，0,,cbaa，b，c共面。4．在学习曲面与空间曲线时，应注意两点：①空间曲面方程的定义与平面曲线方程的定义相类似，通常将曲面看成具有某种特征性质的空间点的轨迹，用方程0,,zyxF来表示，从集合的观点来看，曲面就是所有满足方程0,,zyxF的点zyx,,的集合。②要充分理解空间曲线一般方程的定义。这里强调用通过空间曲线l的任意两个曲面的方程来表示，即用通过空间曲线l的两个曲面方程联立起来表示空间曲线。若由方程0,,1zyxF和0,,2zyxF表示的两个曲面，除去曲线l：0,,0,,21zyxFzyxF上的点是它们的公共点外，再也没有别的公共点，则用0,,0,,21zyxFzyxF表示它们交线的方程。但要注意，联立任意的两个曲面方程，它们可能不表示任何空间曲线，例如21222222zyxzyx，从代数上看这是一个矛盾方程组，不存在解；从几何上看，这是两个同心的球面，它们没有任何的公共点。