Как находить расстояние между прямыми. Взаимное расположение прямых в пространстве

Расстояние между скрещивающимися прямыми: определение и примеры нахождения

Статья нацелена на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми методом координат. Будет рассмотрено определение расстояния между этими прямыми, получим алгоритм при помощи которого преобразуем нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Закрепим тему решением подобных примеров.

Расстояние между скрещивающимися прямыми – определение

Предварительно необходимо доказать теорему, которая определяет связь между заданными скрещивающимися прямыми.

Раздел взаимного расположения прямых в пространстве говорит о том, что если две прямые называют скрещивающимися, если их расположение не в одной плоскости.

Через каждую пару скрещивающихся прямых может проходить плоскость, параллельная данной, причем только одна.

По условию нам даны скрещивающиеся прямые a и b . Необходимо доказать проходимость единственной плоскости через прямую b , параллельную данной прямой a . Аналогичное доказательство необходимо применять для прямой a , через которую проходит плоскость, параллельная данной прямой b .

Для начала необходимо отметить точку Q на прямой b . Если следовать из определения параллельности прямых, то получаем, что через точку пространства можно провести прямую, параллельную заданной прямой, причем только одну. Значит, через точку Q проходит только одна прямая, параллельная прямой a . Примем обозначение а а 1 .

Раздел способов задания плоскости было говорено о том, что прохождение единственной плоскости возможно через две пересекающиеся прямые. Значит, получаем, что прямые b и а 1 – пересекающиеся прямые, через которые проходит плоскость, обозначаемая χ .

Исходя из признака параллельности прямой с плоскостью, можно сделать вывод, что заданная прямая a параллельна относительно плоскости χ , потому как прямая a параллельна прямой а 1 , расположенной в плоскости χ .

Плоскость χ является единственной, так как прямая, проходящая через заданную прямую, находящуюся в пространстве, параллельна заданной прямой. Рассмотрим на рисунке, предоставленном ниже.

При переходе от определения расстояния между скрещивающимися прямыми определяем расстояние через расстояние между прямой и параллельной ей плоскостью.

Расстоянием между скрещивающимися прямыми называют расстояние между одной из скрещивающихся прямых и параллельной ей плоскостью, проходящей через другую прямую.

То есть расстояние между прямой и плоскостью является расстоянием от заданной точки к плоскости. Тогда применима формулировка определения расстояния между скрещивающимися прямыми.

Расстоянием между скрещивающимися прямыми называют расстояние от некоторой точки скрещивающихся прямых к плоскости, проходящей через другую прямую, параллельную первой прямой.

Произведем подробное рассмотрение прямых a и b . Точка М 1 располагается на прямой a , через прямую b проводится плоскость χ , параллельная прямой a . Из точки М 1 проводим перпендикуляр М 1 Н 1 к плоскости χ . Длина этого перпендикуляра является расстоянием между скрещивающимися прямыми a и b . Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми – теория, примеры, решения

Расстояния между скрещивающимися прямыми находятся при построении отрезка. Искомое расстояние равняется длине этого отрезка. По условию задачи его длина находится по теореме Пифагора, по признакам равенства или подобия треугольников или другим.

Когда имеем трехмерное пространство с системой координат О х у z с заданными в ней прямыми a и b , то вычисления следует проводить, начиная с расстояния между заданными скрещивающимися при помощи метода координат. Произведем подробное рассмотрение.

Пусть по условию χ является плоскостью, проходящей через прямую b , которая параллельна прямой a . Искомое расстояние между скрещивающимися прямыми a и b равняется расстоянию от точки М 1 , расположенной на прямой a , к плоскости _ χ . Для того, чтобы получить нормальное уравнение плоскости χ , необходимо определить координаты точки M 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) , расположенной на прямой a . Тогда получим cos α · x + cos β · y + cos γ · z — p = 0 , которое необходимо для определения расстояния M 1 H 1 от точки M 1 x 1 , y 1 , z 1 к плоскости χ . Вычисления производятся по формуле M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 — p . Необходимое расстояние равняется искомому расстоянию между скрещивающимися прямыми.

Читать еще:  Увольнение в связи с призывом в армию: что делать работодателю? Выплатить двухнедельное пособие ✋ в связи с призывом на военную.

Данная задача предполагает получение координат точки М 1 , которая располагается на прямой a , нахождение нормального уравнения плоскости χ .

Определение координат точки М 1 необходимо и возможно при знании основных видов уравнений прямой в пространстве. Чтобы получить уравнение плоскости χ , необходимо остановиться подробней на алгоритме вычисления.

Если координаты x 2 , y 2 , z 2 будут определены при помощи точки М 2 , через которую проведена плоскость χ , получаем нормальный вектор плоскости χ в виде вектора n → = ( A , B , C ) . Следуя из этого, можно записать общее уравнение плоскости χ в виде A · x — x 2 + B · ( y — y 2 ) + C · ( z — z 2 ) = 0 .

Вместо точки М 2 может быть взята любая другая точка, принадлежащая прямой b , потому как плоскость χ проходит через нее. Значит, координаты точки М 2 найдены. Необходимо перейти к нахождению нормального вектора плоскости χ .

Имеем, что плоскость χ проходит через прямую b , причем параллельна прямой a . Значит, нормальный вектор плоскости χ перпендикулярен направляющему вектору прямой a , обозначим a → , и направляющему вектору прямой b , обозначим b → . Вектор n → будет равняться векторному произведению a → и b → , что значит, n → = a → × b → . После определения координат a x , a y , a z и b x , b y , b z направляющих векторов заданных прямых a и b , вычисляем

n → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z

Отсюда находим значение координат A , B , C нормального вектора к плоскости χ .

Знаем, что общее уравнение плоскости χ имеет вид A · ( x — x 2 ) + B · ( y — y 2 ) + C · ( z — z 2 ) = 0 .

Необходимо привести уравнение к нормальному виду cos α · x + cos β · y + cos γ · z — p = 0 . После чего нужно произвести вычисления искомого расстояния между скрещивающимися прямыми a и b , исходя из формулы M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 — p .

Чтобы найти расстояние между скрещивающимися прямыми a и b , необходимо следовать алгоритму:

  • определение координат ( x 1 , y 1 , z 1 ) и x 2 , y 2 , z 2 точек М 1 и М 2 , расположенных на прямых a и b соответственно;
  • получение координат a x , a y , a z и b x , b y , b z , принадлежащим направляющим векторам прямых a и b ;
  • нахождение координат A , B , C , принадлежащим вектору n → на плоскости χ , проходящей через прямую b , расположенную параллельно a , по равенству n → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z ;
  • запись общего уравнения плоскости χ в виде A · x — x 2 + B · ( y — y 2 ) + C · ( z — z 2 ) = 0 ;
  • приведение полученного уравнения плоскости χ к уравнению нормального вида cos α · x + cos β · y + cos γ · z — p = 0 ;
  • вычисление расстояния M 1 H 1 от M 1 x 1 , y 1 , z 1 к плоскости χ , исходя из формулы M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 — p .

Пример 1

Имеются две скрещивающиеся прямые в прямоугольной системе координат О х у z трехмерного пространства. Прямая a определена параметрическим уравнением прямой в пространстве x = — 2 y = 1 + 2 · λ z = 4 — 3 · λ , прямая b при помощи канонического уравнения прямой в пространстве x 1 = y — 1 — 2 = z + 4 6 . Найти расстояние между скрещивающимися прямыми.

Понятно, что прямая а пересекает точку M 1 ( — 2 , 1 , 4 ) с направляющим вектором a → = ( 0 , 2 , — 3 ) , а прямая b пересекает точку M 2 ( 0 , 1 , — 4 ) с направляющим вектором b → = ( 1 , — 2 , 6 ) .

Для начала следует произвести вычисление направляющих векторов a → = ( 0 , 2 , — 3 ) и b → = ( 1 , — 2 , 6 ) по формуле. Тогда получаем, что

a → × b → = i → j → k → 0 2 — 3 1 — 2 6 = 6 · i → — 3 · j → — 2 · k →

Отсюда получаем, что n → = a → × b → — это вектор плоскости χ , который проходит через прямую b параллельно a с координатами 6 , — 3 , — 2 . Получим:

Читать еще:  Праздник Святой Троицы: традиции, обычаи, обряды и народные приметы. Троица и Духов день: Запреты и поверья, приметы и гадания, традиции и обычаи

6 · ( x — 0 ) — 3 · ( y — 1 ) — 2 · ( z — ( — 4 ) ) = 0 ⇔ 6 x — 3 y — 2 z — 5 = 0

Находим нормирующий множитель для общего уравнения плоскости 6 x — 3 y — 2 z — 5 = 0 . Вычислим по формуле 1 6 2 + — 3 2 + — 2 2 = 1 7 . Значит, нормальное уравнение примет вид 6 7 x — 3 7 y — 2 7 z — 5 7 = 0 .

Необходимо воспользоваться формулой, чтобы найти расстояние от точки M 1 — 2 , 1 , 4 до плоскости, заданной уравнением 6 7 x — 3 7 y — 2 7 z — 5 7 = 0 . Получаем, что

M 1 H 1 = 6 7 · ( — 2 ) — 3 7 · 1 — 2 7 · 4 — 5 7 = — 28 7 = 4

Отсюда следует, что искомым расстоянием является расстояние между заданными скрещивающимися прямыми, является значение 4 .

Взаимное расположение двух прямых в пространстве.
Признак скрещивающихся прямых.
Угол между скрещивающимися прямыми

Взаимное расположение двух прямых в пространстве

Все возможные случаи взаимного расположения двух прямых в пространстве представлены в следующей таблице.

Две прямые называют пересекающимися прямыми , если они имеют единственную общую точку.

Две прямые называют параллельными прямыми , если они лежат в одной плоскости и не имеют общих точек

Две прямые называют скрещивающимися прямыми , если не существует плоскости, содержащей обе прямые.

С перечисленными в предыдущей таблице случаями взаимного расположения двух прямых в пространстве близко связаны утверждения, представленные в следующей таблице.

Аксиома о прямой линии, заданной двумя точками
Через две различные точки проходит одна и только одна прямая линия.

Аксиома о параллельных прямых
Через точку, не лежащую на прямой,проходит одна и только одна прямая, параллельная этой прямой.

Теорема о плоскости, определяемой двумя пересекающимися прямыми
Через две пересекающиеся прямые проходит одна и только одна плоскость, содержащая обе эти прямые.

Теорема о плоскости, определяемой двумя параллельными прямыми
Через две параллельные прямые проходит одна и только одна плоскость, содержащая обе эти прямые.

Признак скрещивающихся прямых

Признак скрещивающихся прямых . Если одна из двух прямых лежит на плоскости, а другая прямая пересекает эту плоскость в точке, не лежащей на первой прямой, то эти прямые скрещиваются (рис.1).

Доказательство . Напомним, что две прямые называют скрещивающимися, если не существует плоскости, содержащей обе эти прямые, и будем доказывать признак скрещивающихся прямых методом «От противного».

Для этого предположим, что прямая a , пересекающая плоскость в точке K , и прямая b , лежащая в плоскости α (рис. 1), не являются скрещивающимися. Из этого предположения следует, что существует плоскость, содержащая обе эти прямые. Обозначим эту плоскость буквой β и докажем, что плоскость β совпадает с плоскостью α . Действительно, поскольку обе плоскости α и β проходят через прямую b и точку K , не лежащую на этой прямой, то они совпадают. Следовательно, прямая a лежит в плоскости прямая a лежит в плоскости . Мы получили противоречие с тем, что по условию прямая a пересекает плоскость прямая a пересекает плоскость , а не лежит в ней. Доказательство признака скрещивающихся прямых завершено.

Угол между скрещивающимися прямыми

На рисунке 2 изображены скрещивающиеся прямые a и b . Прямая a’ параллельна прямой a , прямая b’ параллельна прямой b. Прямые a’ и b’ пересекаются. Угол φ и является углом между скрещивающимися прямыми a и b .

Для того, чтобы найти угол между прямыми AB1 и BC1 , проведем в кубе диагональ боковой грани AD1 и диагональ верхнего основания D1B1 (рис. 4).

Замечание . Для более глубокого усвоения понятия «Скрещивающиеся прямые» рекомендуем ознакомиться с разделами нашего сайта «Свойства скрещивающихся прямых» и «Взаимное расположение прямой и плоскости в пространстве. Признак параллельности прямой и плоскости».

Расстояние между 2 прямыми в пространстве

Очень часто на практике необходимо найти расстояние между точкой и некой прямой линией или между двумя прямыми линиями в пространстве, например, иногда определять расстояние между двумя линиями приходится и в реальной жизни. Хорошая иллюстрация такого примера — это знак, который вешают на мосты для грузовиков, указывающий максимальную высоту грузовика, которая может проехать под данным мостом.

Читать еще:  В чём помогает икона Серафима Саровского и каково её значение. Портал "дивное дивеево"

Расстояние от верхней грани грузовика и нижней грани в данном случае определяют как расстояние между двумя прямыми.

Расстояние между 2 прямыми в пространстве — это отрезок, соединяющий две прямые линии по наикратчайшему расстоянию между ними, то есть перпендикулярный к обеим прямым.

Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми в пространстве — это расстояние между одной заданной прямой и плоскостью, в которой лежит вторая прямая.

Чтобы было чуть проще понять, что это такое, давайте повторим определение скрещивающихся прямых:

Скрещивающиеся прямые — это две прямые, которые не лежат в одной плоскости и не имеют каких-либо совместных друг для друга точек.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Соответственно, для того чтобы найти расстояние между скрещивающимися прямыми в пространстве, необходимо от одной из прямых опустить перпендикуляр на плоскость, в которой лежит другая прямая.

Расстояние же между двумя параллельными прямыми в пространстве является одинаковым на протяжении всей длины параллельных прямых, то есть перпендикуляр, опущенный из одной параллельной прямой на другую, всегда будет одной и той же длины вне зависимости от того, из какой именно точки его опустили.

Метод координат для определения расстояния между скрещивающимися прямыми

Расстояние между скрещивающимися прямыми в пространстве можно найти используя метод координат, для этого необходимо:

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Найти расстояние между двумя скрещивающимися прямыми, заданными уравнениями: $d_1$: $frac <2>= frac <-3>= frac<-1>$

Рисунок 1. Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми в пространстве

Для этого воспользуемся следующей формулой:

Сначала найдём смешанное произведение векторов. Для этого найдём точки, лежащие на данных прямых, и их направляющие вектора:

$d_1$: $frac <2>= frac <-3>= frac<-1>$, точка, лежащая на прямой — $M_1$ с координатами $(2;-1;0)$, а направляющий вектор — $overline$ с координатами $(2; -3; -1)$

$d_2$: $begin frac <1>= frac <-2>\ z – 1 = 0 end$, точка, лежающая на прямой — $M_2$ с координатами $(-1; 0; 1)$,

а её направляющий вектор — $overline$ с координатами $(1; -2; 0)$

Теперь найдём вектор $overline$:

Найдём смешанное произведение векторов:

$overline cdot overline cdot overline = begin <|ccc|>2& 1 & -3 \ -3& -2 & 1 \ -1 & 0 & 1 \ end = — begin <|cc|>1 & -3 \ -2 & 1 \ end + begin <|cc|>2 & 1 \ -3 & -2 \ end = -(1 — 6) + (4 + 3) = 4$

Теперь найдём векторное произведение векторов:

$[|overline × overline|] = begin <|ccc|>i& j & k \ 2 & -3 & -1 \ 1 & -2 & 0 end = begin <|cc|>-3 & -1 \ -2 & 0 end cdot overline — begin <|cc|>2 & -1 \ 1 & 0 end cdot overline + begin <|cc|>2 & -3 \ 1 & -2 end cdot overline$

$[|overline × overline |]= -2 overline — overline — overline$

Длина этого векторного произведения составит:

Соответственно, длина между скрещивающимися прямыми составит:

Даны две параллельные несовпадающие прямые $g$ и $m$, ниже приведены уравнения для них. Определить расстояние между ними.

Расстояние в этом случае для них вычисляется по следующей формуле:

$overline, overline$ — радиус-векторы для каждой прямой, а $s_1$ — направляющий вектор.

Радиус-вектор для первой прямой будет $r_1=<1; -1; -3>$, а направляющий вектор $s_1 = <4; 6; 8>$.

Радиус-вектор для второй прямой будет $r_2=<-1; 1; 3>$, а направляющий вектор $s_2 = <2; 3; 4>$.

Найдём векторную разность радиус-векторов:

Теперь найдём её произведение с направляющим вектором для первой прямой:

$[overline — overline × overline] = begin <|ccc|>i & j & k \ -2 & 0 & 0 \ 4 & 6 & 8 \ end = — 16j – 12k = <0;-16;-12>$

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Источники:

http://zaochnik.com/spravochnik/matematika/prjamaja-ploskost/rasstojanie-mezhdu-skreschivajuschimisja-prjamymi/
http://www.resolventa.ru/metod/presentsch.htm
http://spravochnick.ru/geometriya/rasstoyanie_mezhdu_2_pryamymi_v_prostranstve/

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector