공간에서 두 선 사이의 거리(r3)

이 페이지에서는 유형(평행선, 할선, 일치, 할선, 수직선 등)에 관계없이 공간에서 두 선 사이의 거리가 R3에서 어떻게 계산되는지 확인할 수 있습니다. 또한 단계별로 해결되는 예제와 연습문제도 볼 수 있습니다.

두 선 사이의 거리를 계산하는 방법

두 선 사이의 거리는 한 선의 모든 점과 다른 선의 모든 점 사이의 최소 거리입니다. 이 거리는 한 선에서 다른 선으로 이동하는 동시에 두 선에 수직인 세그먼트의 길이에 해당합니다.

공간에서 두 선 사이의 거리(R3)

따라서 3차원(3D) 공간에서 서로 다른 두 선 사이의 거리를 찾는 것은 두 선 사이의 상대적인 위치에 따라 달라집니다.

  • 두 선이 일치 하거나 교차하는 경우 두 선 사이의 거리는 (적어도) 한 지점에서 교차하기 때문에 0입니다.
  • 두 선이 평행 할 때 선 중 하나의 점을 선택하고 해당 점과 다른 선 사이의 거리를 계산해야 합니다(아래에 이를 수행하는 방법에 대한 예가 있음).
  • 두 선이 공간에서 교차하는 경우 교차하는 두 선 사이의 거리에 대한 공식을 적용해야 합니다(자세한 설명은 아래 참조).

따라서 두 선 사이의 거리를 계산하려면 먼저 선의 유형을 알아야 하며, 그런 다음 경우에 따라 하나 또는 다른 공식을 사용해야 합니다. 따라서 계속하기 전에 공간에서 두 선의 상대적 위치를 찾는 방법을 이미 익히는 것이 중요합니다. 그러나 링크에서 어떻게 수행되었는지 기억하지 못하는 경우 매우 완전한 설명과 예제 및 해결된 연습 문제를 볼 수 있습니다. 단계별로.

공간에서 두 평행선 사이의 거리를 찾는 방법

공간(R3)에서 두 평행선 사이의 거리를 계산하는 것은 평면(R2)에서와 동일한 방식으로 수행됩니다. 두 선 중 하나에서 점을 선택하고 다른 선에서 이 점의 거리를 찾아야 합니다. 선.

공간상의 두 평행선 사이의 거리

따라서 3차원에서 점에서 선까지의 거리를 계산하는 공식(두 평행선 사이의 거리를 결정하는 데 사용됨)은 다음과 같습니다.

d(s,r)=d(P,r)=\cfrac{\lvert \vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r \rvert}{\lvert \vv{\text{v}}_r \rvert}

금:

  • \lvert \vv{\text{v}}_r \rvert

    선의 방향 벡터의 크기입니다.

    r.

  • Q

    선상의 점이다

    r,

    P

    선상의 한 점

    s

    그리고

    \vv{QP}

    두 점으로 정의된 벡터

  • \lvert \vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r \rvert

    벡터 간 외적의 크기입니다.

    \vv{QP}

    그리고

    \vv{\text{v}}_r

예를 들어, 공간에 있는 두 개의 평행선 사이의 거리 문제를 해결해 보겠습니다.

  • 다음 두 평행선 사이의 거리는 얼마입니까?

r: \ (x,y,z) = (2,1,1) + t(-1,3,2)

s: \ (x,y,z) = (-2,4,1) + t(2,-6,-4)

두 선 모두 벡터 방정식의 형태로 표현되므로 방향 벡터와 각 선의 점을 쉽게 찾을 수 있습니다.

\displaystyle r : \ \begin{cases}\vv{\text{v}}_r=(-1,3,2) \\[1.7ex] Q(2,1,1) \end{cases} \qquad \qquad s: \ \begin{cases}\vv{\text{v}}_s=(2,-6,-4) \\[1.7ex] P(-2,4,1) \end{cases}

방향 벡터와 선의 점을 결정하는 방법에 대해 의문이 있는 경우 선의 방정식 에 대한 설명을 살펴보는 것이 좋습니다. 여기서는 선의 모든 방정식에 대해 설명했습니다. 선이 표현되는 방정식의 종류에 따라 방향 벡터와 선에 속하는 점을 찾는 것이 달라지기 때문입니다.

이제 두 평행선 사이의 거리를 찾으려면 점에서 선까지의 거리 공식을 적용해야 합니다.

d(s,r)=d(P,r)=\cfrac{\lvert \vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r \rvert}{\lvert \vv{\text{v}}_r \rvert}

그래서 한편으로 우리는 벡터 곱으로부터 생성된 벡터의 모듈을 계산합니다. 계산 방법에 대해 의문이 있는 경우 벡터 곱 공식을 참조할 수 있으며, 여기에서 벡터 간 이 연산의 예와 해결된 연습도 볼 수 있습니다.

\vv{QP} = Q - P = (2,1,1)-(-2,4,1) = (4,-3,0)

\vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r  =\begin{vmatrix} \vv{i}& \vv{j}& \vv{k}  \\[1.1ex] 4&-3&0 \\[1.1ex] -1&3&2 \end{vmatrix}=-6\vv{i} -8\vv{j}+9\vv{k}

\left|\vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r \right| =\sqrt{(-6)^2+(-8)^2+9^2} = \sqrt{36+64+81} = \sqrt{181}

그리고 다른 한편으로, 우리는 선의 벡터의 크기를 찾습니다.

r:

\lvert \vv{\text{v}}_r \rvert = \sqrt{(-1)^2+3^2+2^2} = \sqrt{1+9+4} = \sqrt{14}

마지막으로 각 항의 값을 공식에 대입하고 선 사이의 거리를 계산합니다.

d(s,r)=d(P,r)=\cfrac{\lvert \vv{QP} \times \vv{\text{v}}_r \rvert}{\lvert \vv{\text{v}}_r \rvert}=\cfrac{\sqrt{181}}{\sqrt{14}} = \bm{3,60}

따라서 두 선 사이의 거리는 3.60 단위입니다.

공간에서 교차하는 두 선 사이의 거리를 결정하는 방법

처음에 살펴본 것처럼 교차하는 두 선 사이의 거리를 결정하는 방법은 평행선 사이의 거리를 결정하는 절차와 다릅니다.

공간에서 교차된 선 사이의 거리

따라서 공간에서 교차하는 두 선 사이의 거리를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이 페이지에서는 가장 간단한 절차 중 하나에 대해서만 설명합니다. 다른 두 가지 방법은 더 길고 복잡하기 때문에 실제로는 실제로 사용되지 않습니다.

방향 벡터와 교차하는 두 선의 임의의 점을 다음과 같이 설정합니다.

\displaystyle r: \ \begin{cases} \vv{\text{u}} \\[2ex] A\end{cases} \qquad \qquad s: \ \begin{cases} \vv{\text{v}} \\[2ex] B\end{cases}

교차하는 두 선 사이의 거리에 대한 공식은 다음과 같습니다.

d(r,s)=\cfrac{\left|\left[\vv{\text{u}},\vv{\text{v}},\vv{AB}\right]\right|}{\lvert \vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} \rvert}

\left|\left[\vv{\text{u}},\vv{\text{v}},\vv{AB}\right]\right|

벡터의 혼합 곱의 절대값입니다.

\vv{\text{u}}, \vv{\text{v}}

점으로 정의된 벡터

A

그리고

B

. 그리고 다른 한편으로는,

\lvert \vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} \rvert

두 개의 교차 선의 방향 벡터 사이의 교차 곱의 진폭입니다.

두 개의 교차 선 사이의 거리를 결정하는 방법을 볼 수 있도록 예를 들어 문제를 해결하겠습니다.

  • 다음 두 교차선 사이의 거리는 얼마입니까?

r: \  \cfrac{x-1}{2} = \cfrac{y-2}{4} = \cfrac{z+2}{-1}

s: \  \cfrac{x-3}{1} = \cfrac{y+1}{3} = \cfrac{z-1}{-2}

먼저 방향 벡터와 각 선의 점을 식별해야 합니다. 따라서 두 선은 연속 방정식의 형태로 표현됩니다.

\displaystyle r: \ \begin{cases} \vv{\text{u}} =(2,4,-1) \\[2ex] A(1,2,-2) \end{cases} \qquad \qquad s: \ \begin{cases} \vv{\text{v}}=(1,3,-2) \\[2ex] B(3,-1,1)\end{cases}

이제 교차하는 두 선 사이의 거리에 대한 공식을 적용합니다.

d(r,s)=\cfrac{\left|\left[\vv{\text{u}},\vv{\text{v}},\vv{AB}\right]\right|}{\lvert \vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} \rvert}

한편으로는 혼합 곱(또는 삼중 스칼라 곱)을 해결합니다.

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

\left|\left[\vv{\text{u}},\vv{\text{v}},\vv{AB}\right]\right| =\left| \begin{vmatrix} 2&4&-1 \\[1.1ex] 1&3&-2 \\[1.1ex] 2&-3&3 \end{vmatrix}\right| = \left| -13 \right| =13

그리고 다른 한편으로는 교차곱(또는 교차곱) 모듈을 찾습니다.

\vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} =\begin{vmatrix} \vv{i}& \vv{j}& \vv{k} \\[1.1ex] 2&4&-1 \\[1.1ex] 1&3&-2 \end{vmatrix}=-5\vv{i} +3\vv{j}+2\vv{k}

\left| \vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} \right| =\sqrt{5^2+3^2+2^2} = \sqrt{25+9+4} = \sqrt{38}

마지막으로 교차된 두 선 사이의 거리를 공식의 각 항 값으로 대체합니다.

d(r,s)=\cfrac{\left|\left[\vv{\text{u}},\vv{\text{v}},\vv{AB}\right]\right|}{\lvert \vv{\text{u}} \times \vv{\text{v}} \rvert} = \cfrac{13}{\sqrt{38}}= \bm{2,11}

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