Определить расстояние от точки до прямой. Простейшие задачи с прямой на плоскости. Взаимное расположение прямых. Угол между прямыми. Как найти точку пересечения двух прямых

Формула для вычисления расстояния от точки до прямой на плоскости

Если задано уравнение прямой Ax + By + C = 0, то расстояние от точки M(M x , M y) до прямой можно найти, используя следующую формулу

Примеры задач на вычисление расстояния от точки до прямой на плоскости

Пример 1.

Найти расстояние между прямой 3x + 4y - 6 = 0 и точкой M(-1, 3).

Решение. Подставим в формулу коэффициенты прямой и координаты точки

Ответ: расстояние от точки до прямой равно 0.6.

уравнение плоскости проходящей через точки перпендикулярно векторуОбщее уравнение плоскости

Ненулевой вектор , перпендикулярный заданной плоскости, называетсянормальным вектором (или, короче, нормалью ) для этой плоскости.

Пусть в координатном пространстве (в прямоугольной системе координат) заданы:

а) точка ;

б) ненулевой вектор (рис.4.8,а).

Требуется составить уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно векторуКонец доказательства.

Рассмотрим теперь различные типы уравнений прямой на плоскости.

1) Общее уравнение плоскости P .

Из вывода уравнения следует, что одновременно A , B и C не равны 0 (объясните почему).

Точка принадлежит плоскостиP только в том случае, когда ее координаты удовлетворяют уравнению плоскости. В зависимости от коэффициентов A , B , C и D плоскость P занимает то или иное положение:

‑ плоскость проходит через начало системы координат, ‑ плоскость не проходит через начало системы координат,

‑ плоскость параллельна оси X ,

X ,

‑ плоскость параллельна оси Y ,

‑ плоскость не параллельна оси Y ,

‑ плоскость параллельна оси Z ,

‑ плоскость не параллельна оси Z .

Докажите эти утверждения самостоятельно.

Уравнение (6) легко выводится из уравнения (5). Действительно, пусть точка лежит на плоскости P . Тогда ее координаты удовлетворяют уравнениюВычитая из уравнения (5) уравнение (7) и группируя слагаемые, получим уравнение (6). Рассмотрим теперь два вектора с координатами соответственно. Из формулы (6) следует, что их скалярное произведение равно нулю. Следовательно, вектор перпендикулярен вектору Начало и конец последнего вектора находятся соответственно в точках которые принадлежат плоскости P . Следовательно, вектор перпендикулярен плоскости P . Расстояние от точкидо плоскости P , общее уравнение которой определяется по формулеДоказательство этой формулы полностью аналогично доказательству формулы расстояния между точкой и прямой (см. рис. 2).
Рис. 2. К выводу формулы расстояния между плоскостью и прямой.

Действительно, расстояние d между прямой и плоскостью равно

где ‑ точка лежащая на плоскости. Отсюда, как и в лекции № 11, получается выше приведенная формула. Две плоскости параллельны, если параллельны их нормальные вектора. Отсюда получаем условие параллельности двух плоскостей‑ коэффициенты общих уравнений плоскостей . Две плоскости перпендикулярны, если перпендикулярны их нормальные вектора, отсюда получаем условие перпендикулярности двух плоскостей, если известны их общие уравнения

Угол f между двумя плоскостями равен углу между их нормальными векторами (см. рис. 3) и может, поэтому, быть вычислен по формуле
Определение угла между плоскостями.

(11)

Расстояние от точки до плоскости и способы его нахождения

Расстояние от точки до плоскости – длина перпендикуляра, опущенного из точки на эту плоскость. Существует, по крайней мере, два способа найти расстояние от точки до плоскости:геометрический и алгебраический .

При геометрическом способе нужно сначала понять, как расположен перпендикуляр из точки на плоскость: может он лежит в какой –то удобной плоскости, является высотой в какой-нибудь удобном (или не очень) треугольнике, а может этот перпендикуляр вообще является высотой в какой-нибудь пирамиде.

После этого первого и самого сложного этапа задача распадается на несколько конкретных планиметрических задач (быть может, в разных плоскостях).

При алгебраическом способе для того, чтобы найти расстояние от точки до плоскости, нужно ввести систему координат, найти координаты точки и уравнение плоскости, и после этого применить формулу расстояния от точки до плоскости.

Расстояние от точки до прямой – это длина перпендикуляра, опущенного из точки на прямую. В начертательной геометрии она определяется графическим путем по приведенному ниже алгоритму.

Алгоритм

1. Прямую переводят в положение, в котором она будет параллельна какой-либо плоскости проекции. Для этого применяют методы преобразования ортогональных проекций.
2. Из точки проводят перпендикуляр к прямой. В основе данного построения лежит теорема о проецировании прямого угла.
3. Длина перпендикуляра определяется путем преобразования его проекций или с использованием способа прямоугольного треугольника.

На следующем рисунке представлен комплексный чертеж точки M и прямой b, заданной отрезком CD. Требуется найти расстояние между ними.

Согласно нашему алгоритму, первое, что необходимо сделать, это перевести прямую в положение, параллельное плоскости проекции. При этом важно понимать, что после проведенных преобразований фактическое расстояние между точкой и прямой не должно измениться. Именно поэтому здесь удобно использовать метод замены плоскостей , который не предполагает перемещение фигур в пространстве.

Результаты первого этапа построений показаны ниже. На рисунке видно, как параллельно b введена дополнительная фронтальная плоскость П 4 . В новой системе (П 1 , П 4) точки C"" 1 , D"" 1 , M"" 1 находятся на том же удалении от оси X 1 , что и C"", D"", M"" от оси X.

Выполняя вторую часть алгоритма, из M"" 1 опускаем перпендикуляр M"" 1 N"" 1 на прямую b"" 1 , поскольку прямой угол MND между b и MN проецируется на плоскость П 4 в натуральную величину. По линии связи определяем положение точки N" и проводим проекцию M"N" отрезка MN.

На заключительном этапе нужно определить величину отрезка MN по его проекциям M"N" и M"" 1 N"" 1 . Для этого строим прямоугольный треугольник M"" 1 N"" 1 N 0 , у которого катет N"" 1 N 0 равен разности (Y M 1 – Y N 1) удаления точек M" и N" от оси X 1 . Длина гипотенузы M"" 1 N 0 треугольника M"" 1 N"" 1 N 0 соответствует искомому расстоянию от M до b.

Второй способ решения

• Параллельно CD вводим новую фронтальную плоскость П 4 . Она пересекает П 1 по оси X 1 , причем X 1 ∥C"D". В соответствии с методом замены плоскостей определяем проекции точек C"" 1 , D"" 1 и M"" 1 , как это изображено на рисунке.
• Перпендикулярно C"" 1 D"" 1 строим дополнительную горизонтальную плоскость П 5 , на которую прямая b проецируется в точку C" 2 = b" 2 .
• Величина расстояния между точкой M и прямой b определяется длиной отрезка M" 2 C" 2 , обозначенного красным цветом.

Похожие задачи:

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Кафедра компьютерной графики и информационного обеспечения

ЗАНЯТИЕ 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №3

Определение расстояния от точки до прямой линии.

Определить расстояние между точкой и прямой линией можно, выполнив следующие построения (см. рис.1):

· из точки С опустить перпендикуляр на прямую а ;

· отметить точку К пересечения перпендикуляра с прямой;

· измерить величину отрезка КС , началом которого является заданная точка, а концом отмеченная точка пересечения.

Рис.1. Расстояние от точки до прямой.

В основе решения задач такого типа лежит правило проецирования прямого угла: прямой угол проецируется без искажения, если хотя бы одна его сторона параллельна плоскости проекций (т.е. занимает частное положение). Начнем именно с такого случая и рассмотрим построения для определения расстояния от точки С до отрезка прямой АВ .

В данном задании нет тестовых примеров, а варианты для выполнения индивидуальных заданий приведены в таблице1 и таблице2 . Ниже описано решение задачи, а соответствующие построения показаны на рис.2.

1. Определение расстояния от точки до прямой частного положения.

Сначала строятся проекции точки и отрезка. Проекция А1В1 параллельна оси Х . Это означает, что отрезок АВ параллелен плоскости П2 . Если из точки С провести перпендикуляр к АВ , то прямой угол проецируется без искажения именно на плоскость П2 . Это позволяет провести перпендикуляр из точки С2 на проекцию А2В2 .

Падающее меню Чертеж-Отрезок (Draw - Line ) . Установить курсор в точку С2 и зафиксировать ее как первую точку отрезка. Сдвинуть курсор по направлению нормали к отрезку А2В2 и зафиксировать на нем вторую точку в момент появления подсказки Нормаль (Perpendicular ) . Обозначить построенную точку К2 . Включить режим ОРТО(ORTHO ) , и из точки К2 провести вертикальную линию связи до пересечения с проекцией А1 В1 . Точку пересечения обозначить через К1 . Точка К , лежащая на отрезке АВ , является точкой пересечения перпендикуляра, проведенного из точки С , с отрезок АВ . Таким образом, отрезок КС является искомым расстоянием от точки до прямой.

Из построений видно, что отрезок КС занимает общее положение и, следовательно, его проекции искажены. Говоря о расстоянии, всегда имеется в виду истинная величина отрезка , выражающего расстояние. Следовательно, надо найти истинную величину отрезка КС, повернув его до частного положения, например, КС || П1 . Результат построений показан на рис.2.

Из приведенных на рис.2 построений, можно сделать вывод: частное положение прямой (отрезок параллелен П1 или П2 ) позволяет быстро строить проекции расстояния от точки до прямой, но при этом они искажены.

Рис.2. Определение расстояния от точки до прямой частного положения.

2. Определение расстояния от точки до прямой общего положения.

Не всегда в начальном условии отрезок занимает частное положение. При общем начальном положении выполняются следующие построения для определения расстояния от точки до прямой:

a) используя метод преобразования чертежа, перевести отрезок из общего положения в частное – это позволит построить проекции расстояния (искаженные);

b) вторично используя метод, перевести отрезок, соответствующий искомому расстоянию в частное положение – получим проекцию расстояния по величине, равной действительной.

Рассмотрим последовательность построений для определения расстояния от точки А до отрезка общего положения ВС (рис.3).

При первом вращении необходимо получить частное положение отрезка В C . Для этого в слое ТМР надо соединить точки В2 , С2 и А2 . Используя команду Изменить-Повернуть (Modify – Rotate ) треугольник В2С2А2 повернуть вокруг точки С2 до положения, когда новая проекция В2*С2 будет располагаться строго горизонтально (точка С неподвижна и, следовательно, ее новая проекция совпадает с первоначальной и обозначения С2* и С1* можно на чертеже не показывать). В результате будут получены новые проекции отрезка В2*С2 и точки: А2*. Далее из точек А2* и В2* проводятся вертикальные, а из точек В1 и А1 горизонтальные линии связи. Пересечение соответствующих линий определит положение точек новой горизонтальной проекции: отрезка В1*С1 и точки А1*.

В полученном частном положении можно построить проекции расстояния для этого: из точки А1* строится нормаль к В1*С1. Точка их взаимного пересечения – К1*. Из этой точки проводится вертикальная линия связи до пересечения с проекцией В2*С2. Отмечается точка К2*. В результате получены проекции отрезка АК , являющегося искомым расстоянием от точки А до отрезка прямой ВС .

Далее необходимо построить проекции расстояния в начальном условии. Для этого из точки К1* удобно провести горизонтальную линию до пересечения с проекцией В1С1 и обозначить точку пересечения К1. Затем строится точка К2 на фронтальной проекции отрезка и проводятся проекции А1К1 и А2К2. В результате построений получены проекции расстояния, но и в начальном и в новом частном положении отрезка ВС, отрезок АК занимает общее положение, а это приводит к тому, что все его проекции искажены.

При втором вращении необходимо повернуть отрезок АК в частное положение, что позволит определить истинную величину расстояния – проекция А2*К2**. Результат всех построений показан на рис.3.

ЗАДАНИЕ №3-1. С до прямой линии частного положения, заданной отрезком АВ . Ответ дать в мм (таблица 1). Убрать проецирующие прмые

Таблица 1

ЗАДАНИЕ №3-2. Найти истинную величину расстояния от точки M до прямой линии общего положения, заданной отрезком ED . Ответ дать в мм (таблица 2).

Таблица 2

Проверка и зачет выполненного ЗАДАНИЯ №3.

Пусть в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат Oxyz , задана точка , прямая a и требуется найти расстояние от точки А до прямой a .

Покажем два способа, позволяющих вычислять расстояние от точки до прямой в пространстве. В первом случае нахождение расстояния от точки М 1 до прямой a сводится к нахождению расстояния от точки М 1 до точки H 1 , где H 1 - основание перпендикуляра, опущенного из точкиМ 1 на прямую a . Во втором случае расстояние от точки до плоскости будем находить как высоту параллелограмма.

Итак, приступим.

Первый способ нахождения расстояния от точки до прямой a в пространстве.

Так как по определению расстояние от точки М 1 до прямой a – это длина перпендикуляраM 1 H 1 , то, определив координаты точки H 1 , мы сможем вычислить искомое расстояние как расстояние между точками и по формуле .

Таким образом, задача сводится к нахождению координат основания перпендикуляра, построенного из точки М 1 к прямой a . Сделать это достаточно просто: точка H 1 – это точка пересечения прямой a с плоскостью, проходящей через точку М 1 перпендикулярно к прямой a .

Следовательно, алгоритм, позволяющий определять расстояние от точки до прямой a в пространстве , таков:

Второй способ, позволяющий находить расстояние от точки до прямой a в пространстве.

Так как в условии задачи нам задана прямая a , то мы можем определить ее направляющий вектор и координаты некоторой точки М 3 , лежащей на прямой a . Тогда по координатам точек и мы можем вычислить координаты вектора : (при необходимости обращайтесь к статье координаты вектора через координаты точек его начала и конца).

Отложим векторы и от точки М 3 и построим на них параллелограмм. В этом параллелограмме проведем высоту М 1 H 1 .

Очевидно, высота М 1 H 1 построенного параллелограмма равна искомому расстоянию от точкиМ 1 до прямой a . Найдем .

С одной стороны площадь параллелограмма (обозначим ее S ) может быть найдена черезвекторное произведение векторов и по формуле . С другой стороны площадь параллелограмма равна произведению длины его стороны на высоту, то есть, , где - длина вектора , равная длине стороны рассматриваемого параллелограмма. Следовательно, расстояние от заданной точки М 1 до заданной прямой a может быть найдена из равенства как .

Итак, чтобы найти расстояние от точки до прямой a в пространстве нужно

Решение задач на нахождение расстояния от заданной точки до заданной прямой в пространстве.

Рассмотрим решение примера.

Пример.

Найдите расстояние от точки до прямой .

Решение.

Первый способ.

Напишем уравнение плоскости , проходящей через точку М 1 перпендикулярно заданной прямой:

Найдем координаты точки H 1 - точки пересечения плоскости и заданной прямой. Для этого выполним переход от канонических уравнений прямой к уравнениям двух пересекающихся плоскостей

после чего решим систему линейных уравнений методом Крамера:

Таким образом, .

Осталось вычислить требуемое расстояние от точки до прямой как расстояние между точками и : .

Второй способ.

Числа, стоящие в знаменателях дробей в канонических уравнениях прямой, представляют собой соответствующие координаты направляющего вектора этой прямой, то есть, - направляющий вектор прямой . Вычислим его длину: .

Очевидно, что прямая проходит через точку , тогда вектор с началом в точке и концом в точке есть . Найдем векторное произведение векторов и :
тогда длина этого векторного произведения равна .

Теперь мы располагаем всеми данными, чтобы воспользоваться формулой для вычисления расстояния от заданной точки до заданной плоскости: .

Ответ:

Взаимное расположение прямых в пространстве

Требуется определить расстояние от точки до прямой. Общий план решения задачи:

- через заданную точку проводим плоскость, перпендикулярную заданной прямой;

- находим точку встречи прямой

с плоскостью;

- определяем натуральную величину расстояния.

Через заданную точку проводим плоскость, перпендикулярную прямой АВ . Плоскость задаем пересекающимися горизонталью и фронталью, проекции которых строим согласно алгоритму перпендикулярности (обратная задача).

Находим точку встречи прямой АВ с плоскостью. Это типовая задача о пересечении прямой с плоскостью (см. разд. «Пересечение прямой с плоскостью»).

Перпендикулярность плоскостей

Плоскости взаимно перпендикулярны, если одна из них содержит прямую, перпендикулярную другой плоскости. Поэтому для проведения плоскости, перпендикулярной другой плоскости, необходимо сначала провести перпендикуляр к плоскости, а затем через него провести искомую плоскость. На эпюре плоскость задана двумя пересекающимися прямыми, одна из которых перпендикулярна плоскости ABC .

Если плоскости заданы следами, то возможны следующие случаи:

- если две перпендикулярные плоскости являются проецирующими, то их собирательные следы взаимно перпендикулярны;

- плоскость общего положения и проецирующая плоскость перпендикулярны, ссли собирательный след проецирующей плоскости перпендикулярен одноименному слсду плоскости общего положения;

- если одноименные следы двух плоскостей общего положения перпендикулярны, то плоскости не перпендикулярны друг другу.

Метод замены плоскостей проекций

Преобразуем пространственный макет в плоскостной путем поворота плоскостей по стрелкам. Получим три плоскости проекций, совмещенные в одну плоскость.

Первая типовая задача метода замены плоскостей проекций

Первая типовая задача метода замены плоскостей проекций – это преобразование прямой общего положения сначала в линию уровня, а затем в проецирующую прямую. Эта задача является одной из основных, так как применяется при решении других задач, например, при определении расстояния между параллельными и скрещивающимися прямыми, при определении двугранного угла и т.д.

Производим замену Н → Н 1 . Новую ось проводим перпендикулярно фронтальной проекции прямой. Строим новую горизонтальную проекцию прямой, для чего от новой оси откладываем ординаты прямой, взятые из предыдущей системы плоскостей проекций. Прямая становится горизон- тально-проецирующей прямой и «вырождается» в точку.