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高等数学
第五章 向量与空间解析几何
空间直角坐标系
最后更新:
2023-10-01 11:28
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空间直角坐标系
既有大小又有方向的物理量称为向量. 在数学上可用有向线段来表 示向量,其长度表示向量的大小,其方向(箭头)表示向量的方向. 1、向量的表示:以 $M_1$ 为起点, $M_2$ 为终点的有向线段表示的向量记为 $\overrightarrow{M_1 M_2}$ ,有时也用一个黑体字母(书写 时,在字母上面加一箭头)来表示(见 图 5-1),如 $\boldsymbol{a}$ 或 $\vec{a}$. ![图片](/uploads/2022-12/image_2022123043e65bc.png) 2、向量的模:向量的大小 (数学上有向线段的长度) 叫做向量的 模,记作 $|\boldsymbol{a}| ,\left|\overrightarrow{M_1 M_2}\right|$.模为 1 的向量称为单位向量,记作 $\boldsymbol{e}$. 模为 0 的向 量称为零向量,记作 $\mathbf{0}$. 零向量的方向可以看作是任意方向. 3、向径: 以原点 $O$ 为始点,向一点 $M$ 引向量 $\overrightarrow{O M}$ ,这个向量叫 做点 $M$ 对于点 $O$ 的向径,记作 $r$ ,即 $r=\overrightarrow{O M}$. 4、自由向量:只与大小、方向有关,而与起点无关的向量称为自 由向量. 过空间一个定点 $O$ ,作三条互相垂直的数轴 (见图 5-2),它们都以 $O$ 为原 点且具有相同的长度单位,这三条数轴分别称为 $x$ 轴 (横轴)、 $y$ 轴 (纵轴)、 $z$ 轴 (坚轴)、统称坐标轴. 其正向符合右手规则 (见图 5-3). 这样的三条坐标轴就 组成了空间直角坐标系. ![图片](/uploads/2022-12/image_20221230d8cfce1.png) 三条坐标轴中的两条可确定一个平面称为坐标面: $x O y, y O z, z O x$ 平面,它们 把空间分成了八个卦限,在 $x O y$ 面上逆时针依次为 I、II、III、IV 卦限, ![图片](/uploads/2022-12/image_20221230743ddd4.png) 对于空间一点 $M$ ,过点 $M$ 作三个平面分别垂直于 $x$ 轴、 $y$ 轴和 $z$ 轴,它们 与 $x$ 轴、 $y$ 轴和 $z$ 轴的交点依次为 $P 、 Q$ 和 $R$ (见图 5-5)这三点在 $x$ 轴、 $y$ 轴和 $z$ 轴上的坐标为 $x 、 y$ 和 $z$ ,则这组有序数 $x 、 y$ 和 $z$ 称为点 $M$ 的坐标, 记为 $M(x, y, z)$. ![图片](/uploads/2022-12/image_202212305c1b54a.png) 反之,已知一有序数组 $x 、 y$ 和 $z$ ,我们可以在 $x$ 轴、 $y$ 轴和 $z$ 轴上分别取 坐标为 $x$ 的点 $P$ ,坐标为 $y$ 的点 $Q$ ,坐标为 $z$ 的点 $R$ ,过三个点分别作垂直于 $x$ 轴、 $y$ 轴和 $z$ 轴的三个平面,它们相交于一点 $M$ ,这 $M$ 即为以 $x 、 y$ 和 $z$ 为坐标 的点,所以通过直角坐标系,我们建立了空间点 $M$ 与有序数组 $x 、 y$ 和 $z$ 的 对应关系,见图 5-6. ![图片](/uploads/2022-12/image_20221230263c47c.png) 我们先来看几个特殊点的坐标: 在 $x O y$ 平面上: $z=0$ ,故对应点的坐标为 $A(x, y, 0)$ ; 在 $y O z$ 平面上: $x=0$ ,故对应点的坐标为 $B(0, y, z)$ ; 在 $z O x$ 平面上: $y=0$ ,故对应点的坐标为 $C(x, 0, z)$. 在 $x$ 轴上: $y=z=0$ ,点的坐标为 $P(x, 0,0)$ ; 在 $y$ 轴上: $z=x=0$ ,点的坐标为 $Q(0, y, 0)$ ; 在 $z$ 轴上: $x=y=0$ ,点的坐标为 $R(0,0, z)$. ![图片](/uploads/2022-12/image_202212300c89bbb.png) 设 $M_1\left(x_1, y_1, z_1\right) 、 M_2\left(x_2, y_2, z_2\right)$ 为空间两个点 (见图 5-7),通过 $M_1 、 M_2$ 各作 三个分别垂直于三条坐标轴的平面,这六个平面组成一个以 $M_1 、 M_2$ 为对角线的长 方体,由此可得 $d=\left|\overrightarrow{M_1 M_2}\right|=\sqrt{\left(x_2-x_1\right)^2+\left(y_2-y_1\right)^2+\left(z_2-z_1\right)^2}$. 即 $d^2=\left|\overrightarrow{M_1 M_2}\right|^2=\left(x_2-x_1\right)^2+\left(y_2-y_1\right)^2+\left(z_2-z_1\right)^2$ , ![图片](/uploads/2022-12/image_20221230544eee9.png) 例 1 证明以点 $M_1(4,3,1) 、 M_2(7,1,2)$ 及 $M_3(5,2,3)$ 为顶点的三角形是等腰 三角形. $$ \text { 证 } \begin{aligned} \left|\overrightarrow{M_1 M_2}\right| & =\sqrt{(7-4)^2+(1-3)^2+(2-1)^2}=\sqrt{14} , \\ \left|\overrightarrow{M_2 M_3}\right| & =\sqrt{(5-7)^2+(2-1)^2+(3-2)^2}=\sqrt{6} , \\ \left|\overrightarrow{M_3 M_1}\right| & =\sqrt{(4-5)^2+(3-2)^2+(1-3)^2}=\sqrt{6} , \end{aligned} $$ 即 $\left|\overrightarrow{M_2 M_3}\right|=\left|\overrightarrow{M_3 M_1}\right|$ , 因此该三角形是等腰三角形. 例 2 在 $z$ 轴上求与两点 $A(-4,3,1)$ 和 $B(3,5,-2)$ 等距离的点. 解 设所求点的坐标为 $M(0,0, z)$ , 由 $|\overrightarrow{A M}|=|\overrightarrow{B M}|$ , 即 $\sqrt{(0+4)^2+(0-1)^2+(z-7)^2}=\sqrt{(3-0)^2+(5-0)^2+(-2-z)^2}$, 得 $z=\frac{14}{9}$ , 因此所求点的坐标为 $M\left(0,0, \frac{14}{9}\right)$.
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