平面参数方程

在此页面上,您将找到计划的参数方程是什么以及它们的计算方式(公式)。此外,您将能够看到示例并通过逐步解决的练习进行练习。

平面的参数方程是什么?

在解析几何中,平面的参数方程是允许任何平面以数学方式表达的方程。为了找到平面的参数方程,我们只需要一个点和属于该平面的两个线性无关向量。

规划参数方程的制定

考虑平面的一个点和两个方向向量:

\begin{array}{c} P(P_x,P_y,P_z) \\[2ex] \vv{\text{u}}=(\text{u}_x,\text{u}_y,\text{u}_z)\\[2ex] \vv{\text{v}}=(\text{v}_x,\text{v}_y,\text{v}_z)\end{array}

平面参数方程的公式为:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex]  y=P_y + \lambda  \text{u}_y + \mu \text{v}_y\\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

金子

\lambda

\mu

是两个标量,也就是说两个实数。

重要的是平面方程的两个方向向量是线性无关的,也就是说,它们具有不同(不平行)的方向。否则,上面的等式就代表没有计划。

平面的参数方程

另一方面,请记住,除了参数方程之外,还有其他方法可以解析地表达空间中的平面(在 R3 中),例如一般平面方程。在此链接中,您将找到它的公式、如何根据计划的参数方程计算它、示例和已解决的练习。

如何求平面参数方程的示例

一旦我们了解了平面的参数方程是什么,让我们通过一个例子来看看它是如何计算的:

  • 求通过该点的平面的参数方程

    P(1,3,2)

    并包含向量

    \vv{\text{u}}=(2,0,-1)

    \vv{\text{v}}=(4,2,3)

要确定计划的参数方程,只需应用其公式:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex] y=P_y + \lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y\\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

现在我们将点和每个方向向量代入方程:

\displaystyle \begin{cases}x=1 + \lambda \cdot 2 + \mu \cdot 4 \\[1.7ex] y=3+ \lambda \cdot 0 + \mu \cdot 2\\[1.7ex] z=2 + \lambda\cdot (-1)+ \mu \cdot 3\end{cases}

\displaystyle \begin{cases}\bm{x=1 + 2\lambda + 4\mu } \\[1.7ex] \bm{y=3 + 2\mu}\\[1.7ex] \bm{z=2 -\lambda+ 3\mu} \end{cases}

如何从平面矢量方程转为参数方程

确定平面参数方程的另一种方法是根据平面矢量方程。下面你可以看到演示。

设任意平面的矢量方程为:

(x,y,z)=(P_x,P_y,P_z)+\lambda (\text{u}_x,\text{u}_y,\text{u}_z) + \mu (\text{v}_x,\text{v}_y,\text{v}_z)

我们首先进行向量与标量的乘积运算:

(x,y,z)=(P_x,P_y,P_z)+ (\lambda\text{u}_x,\lambda\text{u}_y,\lambda\text{u}_z) +(\mu\text{v}_x,\mu\text{v}_y,\mu\text{v}_z)

接下来,我们添加组件:

(x,y,z)=(P_x+\lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x,P_y+\lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y,P_z+\lambda \text{u}_z + \mu \text{v}_z)

最后,通过分别同化每个变量对应的坐标,得到平面的参数方程:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex] y=P_y + \lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y\\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

正如您在上面的两个示例中所看到的,找到平面的参数方程相对容易。然而,问题可能会变得有点复杂,所以下面有几个不同难度的已解决练习,以便您练习。

解决了平面参数方程问题

练习1

确定包含向量的平面的参数方程

\vv{\text{u}}=(2,1,5)

并经过以下两点:

A(3,2,-1)

B(-2,-1,1).

要知道平面的方程,您需要一个点和两个向量,在这种情况下我们只有一个向量,因此我们必须找到该平面的另一个定向向量。为此,我们可以计算定义平面两点的向量:

\vv{AB} = B - A = (-2,-1,1) - (3,2,-1) = (-5,-3,2)

现在我们已经知道平面和点的两个方向向量,因此我们使用平面参数方程的公式:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex] y=P_y + \lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y \\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

我们将这两个向量和平面上的两点之一代入方程:

\displaystyle \begin{cases}x=3 + \lambda \cdot 2+ \mu \cdot (-5) \\[1.7ex] y=2 + \lambda \cdot 1 + \mu \cdot (-3) \\[1.7ex] z=(-1) + \lambda\cdot 5 + \mu \cdot 2 \end{cases}

\displaystyle \begin{cases}\bm{x=3 +2 \lambda-5\mu } \\[1.7ex] \bm{y=2 + \lambda-3 \mu } \\[1.7ex] \bm{z=-1 + 5\lambda + 2\mu } \end{cases}

练习2

求包含以下三点的平面的参数方程:

A(4,1,0) \qquad B(2,-3,-1) \qquad C(1,5,3)

为了找到平面的参数方程,我们需要找到在平面中链接的两个线性独立向量。为此,我们可以计算由 3 个点定义的两个向量:

\vv{AB} = B - A = (2,-3,-1) - (4,1,0) = (-2,-4,-1)

\vv{AC} = C - A = (1,5,3) - (4,1,0) = (-3,4,3)

找到的两个向量的坐标不成比例,因此它们彼此线性无关。

现在我们已经知道两个方向向量和平面上的一个点,我们应用平面参数方程的公式:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex] y=P_y + \lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y \\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

我们将这两个向量和平面上的三个点之一代入方程:

\displaystyle \begin{cases}x=4 + \lambda \cdot (-2)+ \mu \cdot (-3) \\[1.7ex] y=1 + \lambda \cdot (-4) + \mu \cdot 4 \\[1.7ex] z=0 + \lambda\cdot (-1) + \mu \cdot 3 \end{cases}

\displaystyle \begin{cases}\bm{x=4 -2 \lambda-3\mu } \\[1.7ex] \bm{y=1-4 \lambda+4 \mu } \\[1.7ex] \bm{z=-\lambda + 3\mu } \end{cases}

练习3

计算由以下矢量方程定义的平面的参数方程:

(x,y,z)=(0,-1,5)+\lambda (6,1,-2) + \mu (1,-1,3)

要将平面的矢量方程转换为参数方程,必须对坐标进行运算,然后分别求解每个变量:

(x,y,z)=(0,-1,5)+\lambda (6,1,-2) + \mu (1,-1,3)

(x,y,z)=(0,-1,5)+(6\lambda,\lambda,-2\lambda) + (\mu,-\mu,3\mu)

(x,y,z)=(6\lambda+\mu,-1+\lambda-\mu,5-2\lambda+3\mu)

\displaystyle \begin{cases}\bm{x=6\lambda+\mu } \\[1.7ex] \bm{y=-1+\lambda-\mu} \\[1.7ex] \bm{z=5-2\lambda+3\mu } \end{cases}

练习4

求包含直线的平面的参数方程

r

并且与右边平行

s.

是行:

\displaystyle r: \ \begin{cases} x=1+t \\[1.7ex] y=2-3t\\[1.7ex] z=4+2t \end{cases} \qquad \qquad s: \ \frac{x-4}{2} = \frac{y+3}{2}= \frac{z-2}{-3}

为了找到平面的参数方程,我们需要知道两个方向向量和平面上的一个点。该指令告诉我们它包含行

r

因此,我们可以用方向向量和这条线上的一点来定义平面。此外,该陈述告诉我们该平面平行于直线

s,

所以我们也可以用这条线的方向向量来表示平面方程。

正确的

r

以参数方程的形式表示,因此其方向向量的分量就是参数项的系数

t:

\vv{r} =(1,-3,2)

同一条线上的点的笛卡尔坐标是参数方程的独立项:

P(1,2,4)

另一方面,直线

s

是连续方程的形式,其方向向量的分量是分数的分母:

\vv{s} =(2,2,-3)

因此,该规划的参数方程为:

\displaystyle \begin{cases}x=P_x + \lambda \text{u}_x + \mu \text{v}_x \\[1.7ex] y=P_y + \lambda \text{u}_y + \mu \text{v}_y \\[1.7ex] z=P_z + \lambda\text{u}_z + \mu \text{v}_z \end{cases}

\displaystyle \begin{cases}x=1 + \lambda \cdot 1+ \mu \cdot 2 \\[1.7ex] y=2 + \lambda \cdot (-3) + \mu \cdot 2 \\[1.7ex] z=4 + \lambda\cdot 2 + \mu \cdot (-3) \end{cases}

\displaystyle \begin{cases}\bm{x=1 + \lambda+2\mu } \\[1.7ex] \bm{y=2-3 \lambda+2 \mu } \\[1.7ex] \bm{z=4+2\lambda -3\mu } \end{cases}

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