空间解析几何与向量代数06849

1、空间解析几何与向量代数第一节 向量及其线性运算一 、向量概念 二、向量的线性运算 三、空间直角坐标系 四、利用坐标作向量的线性运算 五、向量的模、方向角、投影第二节 数量积 向量积 混合积一、 两向量的数量积 二、两向量的向量积 三、向量的混合积第三节 曲面及其方程一、曲面方程的概念 二、旋转曲面 三、柱面 四、二次曲面第四节 空间曲线及其方程 一、空间曲线的一般方程 二、空间曲线的参数方程 三、空间曲线在坐标面上的投影第五节 平面及其方程 一、平面的点法式方程 二、平面的一般方程 三、两平面的夹角第六节 空间直线及其方程 一、空间直线的一般方程 二、空间直线的对称式方程与参数方程 三、两直线

2、的夹角 四、直线与平面的夹角 五、杂例第一节向量及其线性运算一、 向量概念在研究力学、物理学以及其他应用科学时,常会遇到这样一类量,它们既有大小,又有方向.例如力、力矩、位移、速度、加速度等,这一类量叫做向量（或矢量）.在数学上,用一条有方向的线段(称为有向线段)来表示向量.有向线段的长度表示向量的大小,有向线段的方向表示向量的方向.向量的符号:以A为起点、B为终点的有向线段所表示的向量记作.向量可用粗体字母表示,也可用上加箭头书写体字母表示,例如,a、r、v、F或、.在实际问题中,有些向量与其起点有关（例如质点运动的速度与该质点的位置有关,一个力与该力的作用点的位置有关）,有些向量与其起点无

3、关.自由向量:由于一切向量的共性是它们都有大小和方向,所以在数学上我们只研究与起点无关的向量,并称这种向量为自由向量,简称向量.因此,如果向量a和b的大小相等,且方向相同,则说向量a和b是相等的,记为a =b.相等的向量经过平移后可以完全重合.向量的大小叫做向量的模.向量a、的模分别记为|a|、.模等于1的向量叫做单位向量.模等于0的向量叫做零向量,记作0或.零向量的起点与终点重合,它的方向可以看作是任意的.两个非零向量如果它们的方向相同或相反,就称这两个向量平行.向量a与b平行,记作a / b.零向量认为是与任何向量都平行.当两个平行向量的起点放在同一点时,它们的终点和公共的起点在一条直线上

4、.因此,两向量平行又称两向量共线.类似还有向量共面的概念.设有k(k³3)个向量,当把它们的起点放在同一点时,如果k个终点和公共起点在一个平面上,就称这k个向量共面.二、向量的线性运算1 向量的加减法向量的加法:设有两个向量a与b,平移向量使b的起点与a的终点重合,此时从a的起点到b的终点的向量c称为向量a与b的和,记作a+b,即c=a+b .上述作出两向量之和的方法叫做向量加法的三角形法则.平行四边形法则:A B C D A B C 当向量a与b不平行时,平移向量使a与b的起点重合,以a、b为邻边作一平行四边形,从公共起点到对角的向量等于向量a与b的和a+b.向量加法的运算规律:

5、(1)交换律a+b=b+a;(2)结合律(a+b)+c=a+(b+c).这是因为，按向量加法的规定（三角形法则），可见：a+b=+=c,b+a=+=c,所以符合交换律.类似很容易证明结合律也是成立的（见右图）.由于向量的加法符合交换律与结合律,故n个向量a1,a2,×××,an(n³3)相加可写成a1+a2+×××+an,并按向量相加的三角形法则,可得n个向量相加的法则如下:使前一向量的终点作为次一向量的起点,相继作向量a1,a2,×××,an,再以第一向量的起点为起点,最后一向量的终点为终点作

6、一向量,这个向量即为所求的和.（见右图）设a为一向量,与a的模相同而方向相反的向量叫做a的负向量,记为-a.向量的减法:我们规定两个向量b与a的差为b-a=b+(-a)，即把向量-a加到向量b上,便得b与a的差b-a. 特别地,当b=a时,有a-a=a+(-a)=0.显然,任给向量及点O,有,因此,若把向量a与b移到同一起点O,则从a的终点A向b的终点B所引向量便是向量b与a的差b-a.三角不等式:由三角形两边之和大于第三边的原理,有|a+b|£|a|+|b|及|a-b|£|a|+|b|,其中等号在b与a同向或反向时成立.2 向量与数的乘法向量与数的乘法的定义:向量a与实数

7、l的乘积记作la,规定la是一个向量,它的模|la|=|l|a|,它的方向当l>0时与a相同,当l<0时与a相反.当l=0时,|la|=0,即la为零向量,这时它的方向可以是任意的.特别地,当l=±1时,有1a=a,(-1)a=-a.运算规律:(1) 结合律l(ma)=m(la)=(lm)a；这是因为由向量与数的乘积的规定可知,向量l(ma),m(la),(lm)a都是平行的向量,它们的指向也是相同的,而且 |l(ma)|=|m(la)|=|(lm)a|=|lm|a|,所以 l(ma)=m(la)=(lm)a. (2)分配律 (l+m)a=la+ma；l(a+b)=la+

8、lb. 向量相加及数乘向量统称为向量的线性运算.例1.在平行四边形ABCD中,设=a,=b.试用a和b表示向量、,其中M是平行四边形对角线的交点.解由于平行四边形的对角线互相平分,所以A B C D M a+b,即-(a+b),于是(a+b).因为,所以(a+b).又因-a+b,所以(b-a).由于,所以(a-b).向量的单位化:设a¹0,则向量是与a同方向的单位向量,记为ea.于是a=|a|ea.定理1 设向量a¹0,那么,向量b平行于a的充分必要条件是:存在唯一的实数l,使b=la.证明:条件的充分性是显然的,下面证明条件的必要性.设b / a.取,当b与a同向时l取正

9、值,当b与a反向时l取负值,即b=la.这是因为此时b与la同向,且 |la|=|l|a|.再证明数l的唯一性.设b=la,又设b=ma,两式相减,便得 (l-m)a=0,即|l-m|a|=0.因|a|¹0,故|l-m|=0,即l=m.给定一个点及一个单位向量就确定了一条数轴.设点O及单位向量i确定了数轴Ox,对于轴上任一点P,对应一个向量,由/i,根据定理1,必有唯一的实数x,使=xi(实数x叫做轴上有向线段的值),并知与实数x一一对应.于是点P«向量= xi«实数x,从而轴上的点P与实数x有一一对应的关系.据此,定义实数x为轴上点P的坐标.由此可知,轴上点P的

10、坐标为x的充分必要条件是:= xi.三、空间直角坐标系在空间取定一点O和三个两两垂直的单位向量i、j、k,就确定了三条都以O为原点的两两垂直的数轴,依次记为x轴(横轴)、y轴(纵轴)、z轴(竖轴),统称为坐标轴.它们构成一个空间直角坐标系,称为Oxyz坐标系.注: (1)通常三个数轴应具有相同的长度单位; (2)通常把x轴和y轴配置在水平面上,而z轴则是铅垂线; (3)数轴的的正向通常符合右手规则,即以右手握住z轴,当右手的四个手指从正向x轴以90度角度转向正向y轴时,大拇指的指向就是z轴的正向.在空间直角坐标系中,任意两个坐标轴可以确定一个平面,这种平面称为坐标面.x轴及y轴所确定的坐标面叫

11、做xOy面,另两个坐标面是yOz面和zOx面.三个坐标面把空间分成八个部分,每一部分叫做卦限,含有三个正半轴的卦限叫做第一卦限,它位于xOy面的上方.在xOy面的上方,按逆时针方向排列着第二卦限、第三卦限和第四卦限.在xOy面的下方,与第一卦限对应的是第五卦限,按逆时针方向还排列着第六卦限、第七卦限和第八卦限.八个卦限分别用字母I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII表示.向量的坐标分解式:任给向量r,对应有点M,使.以OM为对角线、三条坐标轴为棱作长方体,有,设,则.上式称为向量r的坐标分解式,xi、yj、zk称为向量r沿三个坐标轴方向的分向量.显然,给定向量r,就确定了点M及,三

12、个分向量,进而确定了x、y、z三个有序数;反之,给定三个有序数x、y、z也就确定了向量r与点M.于是点M、向量r与三个有序x、y、z之间有一一对应的关系.据此,定义:有序数x、y、z称为向量r(在坐标系Oxyz)中的坐标,记作r=(x,y,z);有序数x、y、z也称为点M(在坐标系Oxyz)的坐标,记为M(x,y,z).向量称为点M关于原点O的向径.上述定义表明,一个点与该点的向径有相同的坐标.记号(x,y,z)既表示点M,又表示向量.坐标面上和坐标轴上的点,其坐标各有一定的特征.例如:点M在yOz面上,则x=0;同样,在zOx面上的点,y=0;在xOy面上的点,z=0.如果点M在x轴上,则y

13、=z=0;同样在y轴上,有z=x=0;在z轴上的点,有x=y=0.如果点M为原点,则x=y=z=0.四、利用坐标作向量的线性运算利用向量的坐标,可得向量的加法、减法以及向量与数的乘法的运算如下:设a=(ax,ay,az),b=(bx,by,bz)即a=axi+ayj+azk,b=bxi+byj+bzk,则a+b=(axi+ayj+azk)+(bxi+byj+bzk)=(ax+bx)i+(ay+by)j+(az+bz)k=(ax+bx,ay+by,az+bz).a-b=(axi+ayj+azk)-(bxi+byj+bzk)=(ax-bx)i+(ay-by)j+(az-bz)k=(ax-bx,ay

14、-by,az-bz).la=l(axi+ayj+azk) =(lax)i+(lay)j+(laz)k=(lax,lay,laz).由此可见,对向量进行加减及数乘,只需对向量的各个坐标分别进行相应的数量运算就行了.利用向量的坐标判断两个向量的平行:设a=(ax,ay,az)¹0,b=(bx,by,bz),向量b/aÛb=la,即b/aÛ(bx,by,bz)=l(ax,ay,az),于是.例2 求解以向量为未知元的线性方程组,其中a=(2, 1, 2),b=(-1, 1,-2).解如同解二元一次线性方程组,可得x=2a-3b,y=3a-5b.以a、b的坐标表示式代入,

15、即得x=2(2, 1, 2)-3(-1, 1,-2)=(7,-1, 10),y=3(2, 1, 2)-5(-1, 1,-2)=(11,-2, 16).例3已知两点A(x1,y1,z1)和B(x2,y2,z2)以及实数l¹-1,在直线AB上求一点M,使.解由于,因此,从而,这就是点M的坐标.另解设所求点为M (x,y,z),则,.依题意有,即 (x-x1,y-y1,z-z1)=l(x2-x,y2-y,z2-z) (x,y,z)-(x1,y1,z1)=l(x2,y2,z2)-l(x,y,z),.点M叫做有向线段的定比分点(l分点).当l=1,点M的有向线段的中点,其坐标为,.通过本例,我

16、们应注意以下两点:(1)由于点M与向量有相同的坐标,因此,求点M的坐标,就是求的坐标.(2)记号(x,y,z)既可表示点M,又可表示向量,在几何中点与向量是两个不同的概念,不可混淆.因此,在看到记号(x,y,z)时,须从上下文去认清它究竟表示点还是表示向量.当(x,y,z)表示向量时,可对它进行运算;当(x,y,z)表示点时,就不能进行运算.五、向量的模、方向角、投影 1向量的模与两点间的距离公式设向量r=(x,y,z),作,则,按勾股定理可得,设,有|OP|=|x|, |OQ|=|y|, |OR|=|z|,于是得向量模的坐标表示式.设有点A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2),则=(

17、x2,y2,z2)-(x1,y1,z1)=(x2-x1,y2-y1,z2-z1),于是点A与点B间的距离为. 例4 求证以M1(4, 3, 1)、M2 (7, 1, 2)、M3 (5, 2, 3)三点为顶点的三角形是一个等腰三角形.解因为 | M1M2|2 =(7-4)2+(1-3)2+(2-1)2 =14, | M2M3|2 =(5-7)2+(2-1)2+(3-2)2 =6, | M1M3|2 =(5-4)2+(2-3)2+(3-1)2 =6,所以|M2 M3|=|M1M3|,即DM1 M2 M3为等腰三角形.例5 在z轴上求与两点A(-4, 1, 7)和B(3, 5,-2)等距离的点.解设

18、所求的点为M(0, 0,z),依题意有|MA|2=|MB|2,即(0+4)2+(0-1)2+(z-7)2=(3-0)2+(5-0)2+(-2-z)2.解之得,所以,所求的点为.例6已知两点A(4, 0, 5)和B(7, 1, 3),求与方向相同的单位向量e.解因为,所以. 2.方向角与方向余弦当把两个非零向量a与b的起点放到同一点时,两个向量之间的不超过p的夹角称为向量a与b的夹角,记作或.如果向量a与b中有一个是零向量,规定它们的夹角可以在0与p之间任意取值.类似地,可以规定向量与一轴的夹角或空间两轴的夹角.非零向量r与三条坐标轴的夹角a、b、g称为向量r的方向角.向量的方向余弦:从上方右图

19、可见，设=r=(x,y,z),则x=|r|cosa,y=|r|cosb,z=|r|cosg.cosa、cosb、cosg称为向量r的方向余弦.,.从而.上式表明,以向量r的方向余弦为坐标的向量就是与r同方向的单位向量er.因此cos2a+cos2b+cos2g=1.例7设已知两点)和B(1, 3, 0),计算向量的模、方向余弦和方向角.解;,;,.例8 设点A位于第一卦限，向径与x轴,y轴的夹角依次为和，且|=6，求点A的坐标.解因点A在第一卦限，知cos>0,故于是 这就是点A的坐标.3. 向量在轴上的投影设点O及单位向量e确定u轴.任给向量r,作,再过点M作与u轴垂直的平面交u轴于点

20、M¢(点M¢叫作点M在u轴上的投影),则向量称为向量r在u轴上的分向量.设,则数l称为向量r在u轴上的投影,记作Prjur或(r)u.按此定义,向量a在直角坐标系Oxyz中的坐标ax,ay,az就是a在三条坐标轴上的投影,即ax=Prjxa,ay=Prjya,az=Prjza.或记作 ax=(a)x,ay=(a)y,az=(a)z投影的性质:性质1 (a)u=|a|cos j (即Prjua=|a|cos j),其中j为向量与u轴的夹角;性质2 (a+b)u=(a)u+(b)u (即Prju(a+b)= Prjua+Prjub);性质3 (la)u=l(a)u (即Prju

21、(la)=lPrjua);例9 设立方体的一条对角线为OM，一条棱为OA，且|OA|=a，求在方向上的投影.解 于是习题一1设u=a-b+2c,v=-a+3b-c,试用a、b、c表示2u-3v.2如果平面上一个四边形的对角线互相平分，试用向量证明它是平行四边形.3把ABC的BC边五等分，设分点依次为D1、D2、D3、D4，再把各分点与点A连接.试以表示向量4已知两点A（0,1,2）和B（1，-1,0），试用坐标表示式表示向量5求平行于向量a=(6,7,-6)的单位向量.6在空间直角坐标系中，指出下列各点在哪个卦限？A（1，-2,3）；B（2,3，-4）；C（2，-3，-4）；D（-2，-3,1

22、）7在坐标面上和坐标轴上的点的坐标各有什么特征？指出下列点的位置：A（1，-2,0）；B（0,3，-4）；C（2，0，0）；D（0，-3,0）8求点（a,b,c）关于（1）各坐标面（2）各坐标轴（3）坐标原点的对称点的坐标.9自点P（1,2,3）分别作各坐标面和各坐标轴的垂线，写出各垂足的坐标。10过点P（x0，y0，z0）分别作平行于z轴的直线和平行于xoy面的平面，问在他们上面的点的坐标各有什么特点？11一边长为a的立方体放置在xOy面上，其底面的中心在坐标原点，底面的顶点在x轴和y轴上，求它各顶点的坐标.12求点M（4，-3,5）到各坐标轴的距离.13在yOz面上，求与三点A（3,1,2

23、）B（4，-2，-2）C（0,5,1）等距离的点.14证明以三点A（4,1，9）B（10，-1，6）C（2,4,3）为顶点的三角形为等腰直角三角形.15设已知两点,计算向量的模、方向余弦和方向角.16设向量的方向余弦分别满足（1）cos=0；（2）cos=1；（3）cos=cos=0，问这些向量与坐标轴或坐标面的关系如何？17设向量的模是4，它与u轴的夹角是/3，求在u轴上的投影.18一向量的终点在点B（2，-1,7），它在x轴、y轴和z轴上的投影依次为4，-4,7，求这向量的起点A的坐标。19设m=3i+5j+8k，n=2i-4j-7k和p=5i+j-4k，求向量a=4m+3n-p在x轴上的

24、投影及在y轴上的分向量.第二节 数量积 向量积 混合积一、两向量的数量积设一物体在恒力作用下沿直线从点移动到点, 以表示位移. 由物理学知道, 力所作的功为：其中为与的夹角(如图).从这个问题上看, 我们有时要对两个向量a和b作这样的运算,运算的结果是一个数, 它等于 |a|、|b| 及它们的夹角q的余弦的乘积. 我们把它叫做向量a和b的数量积, 记作a×b, 即a·b=|a| |b| cosq.根据这个定义, 上述问题中力所作的功W是力F与位移s的数量积, 即W=Fs .由于|b| cosq=|b|cos(a, b), 当a¹0时, |b| cos(a, b)

25、是向量b在向量a的方向上的投影, 便有a·b = |a| Prjab. 同理, 当b¹0时, a·b = |b| Prjba. 这就是说, 两向量的数量积等于其中一个向量的模和另一个向量在这向量的方向上的投影的乘积.由数量积的性质可以推得：(1) a·a = |a| 2. 这是因为夹角q=0. (2) 对于两个非零向量a、b, 如果a·b =0, 则ab; 反之, 如果ab, 则a·b =0. 这是因为如果ab=0, 由于|a|0, |b|0, 所以cos=0, 从而=，即ab；反之，如果ab，那么=，cos=0，于是ab=|a| |

26、b| cos=0.由于可以认为零向量与任何向量都垂直，因此，上述结论可叙述为：ab Û a·b =0. 数量积符合下列运算律: (1) 交换律: a·b =b·a; 证：根据定义有ab=|a|b|cos() , ba =|b|a|cos(), 而 |a|b|=|b|a|，cos() =cos(), 所以 ab=ba.(2) 分配律: (a+b)×c=a×c+b×c.证：因为当c=0时,上式显然成立;当c¹0时,(a+b)×c=|c|Prjc(a+b)=|c|(Prjca+Prjcb)=|c|Prjca+|

27、c|Prjcb=a×c+b×c. (3) 数量积还符合如下的结合律：(la)·b =a·(lb) =l(a·b), l为数. 证： 当b=0时，上式显然成立；当b0时，按投影性质3，可得(la)·b=|b| Prjba=|b| Prjba=la·b.有上述结合律，利用交换律，容易得a（lb）= l (ab) 及(la)·（b）=l(a·b).例1.试用向量证明三角形的余弦定理.证： 设在ABC中, BCA=q (如图), |BC|=a, |CA|=b, |AB|=c,要证c2=a 2+b 2-2 ab c

28、os q .记=a, =b, =c, 则有 c=a-b,从而 |c|2=c×c=(a-b)(a-b)=a×a+b×b-2a×b=|a|2+|b|2-2|a|b|cos(a,b),即c2=a 2+b 2-2 ab cos q . 下面我们来推导数量积的坐标表示式: 设a=(ax,ay,az ), b=(bx,by,bz ). 按数量积得运算规律得 a·b =( ax i +ay j +az k)·(bx i +by j +bz k)=axbxi·i +ax by i·j +ax bz i·k+aybxj &

29、#183;i +ay by j ·j +ay bz j·k+azbxk·i +az by k·j +az bz k·k= axbx+ ay by+ az bz . 由于i, j, k相互垂直, 所以ij=jk=ki=0. 由于i, j, k的模均为1, 所以ii= jj= kk=1. 因而有a·b= axbx+ ay by+ az bz .这就是两向量的数量积坐标表示式.由于a·b=|a| |b| cosq，所以当a, b都不是零向量时, 有这就是两向量夹角余弦的坐标表示式.例2.已知三点M (1, 1, 1)、A (2,

30、2, 1)和B (2, 1, 2), 求ÐAMB. 解：从M到A的向量记为a,从M到B的向量记为b,则ÐAMB就是向量a与b的夹角. a=1, 1, 0, b=1, 0, 1. 因为a×b=1´1+1´0+0´1=1, , . 所以. 从而. 例3.设液体流过平面S上面积为A的一个区域, 液体在这区域上各点处的流速均为（常向量)v. 设n为垂直于S的单位向量（如图）,计算单位时间内经过这区域流向n所指一方的液体的质量m(液体的密度为). 解： 单位时间内流过这区域的液体组成一个底面积为A、斜高为|v |的斜柱体(如图).这柱体的斜高与

31、底面的垂线的夹角就是v 与n的夹角q , 所以这柱体的高为| v |cosq, 体积为 A| v |cos q=A v ·n，从而, 单位时间内经过这区域流向n所指一方的液体的质量为m=rAv ·n.二、两向量的向量积在研究物体转动问题时, 不但要考虑这物体所受的力, 还要分析这些力所产生的力矩. 设O为一根杠杆L的支点.有一个力F作用于这杠杆上P点处. F与的夹角为q. 由力学规定, 力F对支点O的力矩是一向量M, 它的模, 而M的方向垂直于与F所决定的平面, M的指向是的按右手规则从以不超过p的角转向F来确定的. 即当右手的四个手指从以不超过p的角转向F握拳时, 大拇指

32、的指向就是M的指向. 这种由两个已知向量按上面的规则来确定另一个向量的情况, 在其他力学和物理学问题中也会遇到. 于是从中抽象出两个向量的向量积概念.设向量c是由两个向量a与b按下列方式定出: c的模 |c|=|a|b|sin q, 其中q为a与b间的夹角;c的方向垂直于a与b所决定的平面, c的指向按右手规则从a转向b来确定(如图). 那么, 向量c叫做向量a与b的向量积, 记作a´b, 即c =a´b. 根据向量积的定义,力矩M等于与F的向量积, 即. 由向量积的定义可以推得： (1) a´a =0; (2) 对于两个非零向量a、b, 如果a´b =

33、 0, 则a/b; 反之, 如果a/b, 则a´b =0. 如果认为零向量与任何向量都平行, 则a/b Û a´b = 0. 数量积符合下列运算规律: (1) 交换律： a´b = -b´a; (2) 分配律： (a+b)´c = a´c + b´c. (3) 结合律： (la)´b = a´(lb) = l(a´b) (l为数). 下面来推导向量积的坐标表示式. 设a = ax i +ay j +az k, b = bx i +by j +bz k. 按向量积的运算规律可得a

34、0;b = ( ax i +ay j +az k) ´ ( bx i +by j +bz k)= axbxi´i +ax by i´j +ax bz i´k+aybxj´i +ay by j´j +ay bz j´k+azbxk´i +az by k´j +az bz k´k. 由于i´i = j´j = k´k = 0, i´j = k, j´k =i, k´i = j, 所以a´b = ( ay bz- az by) i

35、+ ( azbx- ax bz) j + ( ax by- aybx) k. 为了帮助记忆, 利用三阶行列式符号, 上式可写成=aybzi+azbxj+axbyk-aybxk-axbz j-azbyi= ( ay bz- az by) i + ( azbx- ax bz) j + ( ax by- aybx) k.例4设a=(2, 1,-1),b=(1,-1, 2), 计算a´b. 解=2i-j-2k-k-4j-i=i-5j -3k. 例5已知三角形ABC的顶点分别是A (1, 2, 3)、B (3, 4, 5)、C (2, 4, 7), 求三角形ABC的面积. 解根据向量积的定义,

36、 可知三角形ABC的面积. 由于=(2, 2, 2), =(1, 2, 4), 因此 =4i-6j+2k.于是. 例6设刚体以等角速度w绕l轴旋转, 计算刚体上一点M的线速度. 解刚体绕l轴旋转时, 我们可以用在l轴上的一个向量w表示角速度, 它的大小等于角速度的大小, 它的方向由右手规则定出: 即以右手握住l轴, 当右手的四个手指的转向与刚体的旋转方向一致时, 大姆指的指向就是w的方向. 设点M到旋转轴l的距离为a, 再在l轴上任取一点O作向量r =, 并以q表示w与r的夹角, 那么a = |r| sinq. 设线速度为v, 那么由物理学上线速度与角速度间的关系可知, v的大小为|v| =|

37、 w|a= |w| |r| sinq ; v的方向垂直于通过M点与l轴的平面, 即v垂直于w与r, 又v的指向是使w、r、v符合右手规则. 因此有v = w´r. 三、向量的混合积设三个向量a, b, c. 如果先作两向量a, b的向量积, 把所得到的向量与第三个向量c再作数量积(ab)c, 这样得到的数量叫作三向量a, b, c的混合积, 记作a b c.下面我们来推出三向量的混合积的坐标表示式.设a=(ax,ay,az ), b=(bx,by,bz ), c=(cx,cy,cz ),因为ab再按照两向量的数量积的坐标表示式, 便得abc(ab)c向量的混合积有下述几何意义.向量的

38、混合积abc(ab)c是这样一个数，它的绝对值表示以向量a, b, c为棱的平行六面体的体积. 如果向量a b c (ab)c组成右手系, 那么混合积的符号是正的；如果向量a b c (ab)c组成左手系, 那么混合积的符号是负的.事实上，设=a，=b, =c. 按向量积的定义, 向量积ab=f是一个向量, 它的模在数量上等于以向量a, b为边所作的平行四边形OADB的面积，它的方向垂直于这平行四边形的平面，且当a, b, c组成右手系时, 向量f 与向量 c 朝着这平面的同侧；当a, b, c 组成左手系时, 向量f 与向量 c 朝着这平面的异侧. 所以，如设f 与c 的夹角为，那么当a,

39、b, c组成右手系时，为锐角；当a, b, c组成左手系时，为钝角. 由于a b c(ab)c=| ab |c|cos,所以当a, b, c组成右手系时，a b c为正；当a, b, c组成左手系时，a b c为负.因为以向量a, b, c为棱的平行六面体的底（平行四边形OADB）的面积S在数值上等于| ab |，它的高h 等于向量c在向量f上的投影的绝对值，即h=|Prjf c|=| c | |cos|,所以平行六面体的体积V=S h=| ab | |c| |cos|=| a b c|.由上述混合积的几何意义可知，若混合积a b c，则能以a, b, c三向量为棱构成平行六面体，从而a, b

40、, c三向量不共面；反之，若a, b, c三向量不共面，则必能以a, b, c为棱构成平行六面体，从而a b c. 于是有下述结论：三向量a, b, c共面的充分必要条件是它们的混合积a b c=0，即 例7已知不在一平面上的四点：A, B, C,D. 求四面体ABCD的体积.解 由立体几何知道，四面体的体积V等于以向量、和为棱的平行六面体的体积的六分之一. 因而V=.由于所以 V上式中符号的选择必须和行列式的符号一致.例8 已知A(1, 2, 0), B (2, 3, 1), C (4, 2, 2), M ( x , y, z)四点共面, 求点M的坐标x, y, z所满足的关系式.解 A、B

41、、C、M四点共面相当于三向量共面，这里 按三向量共面的充要条件，可得即这就是点M的坐标所满足的关系式.习 题 二1. 设a=3i j - 2k, b=I +2j - k，求(1)ab及ab；(2) (-2a)3b及a2b; (3) a、b夹角的余弦.2.设a、b、c为单位向量，且满足a+b+c=0，求ab+bc+ca.3. 已知(1, - 1, 2)、(3, 3, 1)和(3, 1, 3). 求与、同时垂直的单位向量.4. 设质量为100kg的物体从点(3, 1, 8）沿直线移动到点(1, 4, 2），计算重力所作的功(坐标系长度单位为m，重力方向为z轴负方向).5. 在杠杆上支点O的一侧与点

42、O的距离为的点处，有一与成角的力作用着；在O的利益侧与点O的距离为的点处，有一与成角的力作用着. 问：、|、|符合怎样的条件才能使杠杆保持平衡？6. 求向量a=(4, -3, 4)在向量b=(2, 2, 1)上的投影.7. 设a=(3, 5, -2), b=(2, 1, 4), 问与有怎样的关系，能使得a+b与z轴垂直？8. 试用向量证明直径所对的圆周角是直角.9. 已知向量a=2i3j + k, b=ij + 3k和c=i2j，计算：(1) (ab)c (ac)b；(2) (a+b)(b+c)；(3) (ab)c.10. 已知=i+3k, =j+3k, 求的面积.11. 已知a=(ax,ay

43、,az ), b=(bx,by,bz ), c=(cx,cy,cz )，试利用行列式的性质证明： (ab)c=(bc)a=(ca)b.12. 实用化向量证明不等式：其中为任意实数，并指出等号成立的条件.第三节 曲面及其方程一、 曲面方程的概念在日常生活中，我们经常会遇到各种曲面，例如反光镜的镜面、管道的外表面以及锥面等等.像在平面解析几何中把平面曲线当作动点的轨迹一样，在空间解析几何中,任何曲面都可以看作点的几何轨迹.在这样的意义下,如果曲面S与三元方程F(x,y,z)=0有下述关系: (1) 曲面S上任一点的坐标都满足方程F(x,y,z)=0; (2) 不在曲面S上的点的坐标都不满足方程F(

44、x,y,z)=0,那么,方程F(x,y,z)=0就叫做曲面S的方程,而曲面S就叫做方程F(x,y,z)=0的图形. 常见的曲面的方程: 例1 建立球心在点M0(x0,y0,z0)、半径为R的球面的方程. 解设M(x,y,z)是球面上的任一点,那么|M0M|=R. 即,或 (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2. 这就是球面上的点的坐标所满足的方程.而不在球面上的点的坐标都不满足这个方程.所以 (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2. 就是球心在点M0(x0,y0,z0)、半径为R的球面的方程. 特殊地,球心在原点O(0, 0, 0)、半径为R的球面的方程为 x2+y

45、2+z2=R2. 例2设有点A(1, 2, 3)和B(2,-1, 4),求线段AB的垂直平分面的方程. 解由题意知道,所求的平面就是与A和B等距离的点的几何轨迹.设M(x,y,z)为所求平面上的任一点,则有|AM|=|BM|,即. 等式两边平方,然后化简得2x-6y+2z-7=0. 这就是所求平面上的点的坐标所满足的方程,而不在此平面上的点的坐标都不满足这个方程,所以这个方程就是所求平面的方程. 以上表明作为点的几何轨迹的曲面可以用它的点的坐标间的方程来表示.反之，变量x、y和z间的方程通常表示一个曲面.因此在空间解析几何中关于曲面的研究，有下列两个基本问题: (1) 已知一曲面作为点的几何轨

46、迹时,建立这曲面的方程; (2) 已知坐标x、y和z间的一个方程时,研究这方程所表示的曲面的形状. 上述例1、例2是从已知曲面建立其方程的例子.下面举一个由已知方程研究它所表示的曲面的例子.例3方程x2+y2+z2-2x+4y=0表示怎样的曲面？解通过配方,原方程可以改写成 (x-1)2+(y+2)2+z2=5. 这是一个球面方程,球心在点M0(1,-2, 0)、半径为. 一般地,设有三元二次方程Ax2+Ay2+Az2+Dx+Ey+Fz+G=0,这个方程的特点是缺xy,yz,zx各项,而且平方项系数相同,只要将方程经过配方可以化成方程(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2. 的形

47、式,它的图形就是一个球面. 下面,作为基本问题（1）的例子，我们讨论旋转曲面；作为基本问题（2）的例子，我们讨论柱面.第四目中对二次曲面的讨论，也可看作基本问题（2）的例子.二、旋转曲面以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面叫做旋转曲面,旋转曲线和定直线依次叫做旋转曲面的母线和轴. 设在yOz坐标面上有一已知曲线C,它的方程为f (y,z) =0,把这曲线绕z轴旋转一周,就得到一个以z轴为轴的旋转曲面.它的方程可以求得如下: 设M(x,y,z)为曲面上任一点,它是曲线C上点M1(0,y1,z1)绕z轴旋转而得到的.因此有如下关系等式,从而得,这就是所求旋转曲面的方程. 在曲线C的

48、方程f(y,z)=0中将y改成,便得曲线C绕z轴旋转所成的旋转曲面的方程. 同理,曲线C绕y轴旋转所成的旋转曲面的方程为. 例4直线L绕另一条与L相交的直线旋转一周,所得旋转曲面叫做圆锥面.两直线的交点叫做圆锥面的顶点,两直线的夹角a()叫做圆锥面的半顶角.试建立顶点在坐标原点O,旋转轴为z轴,半顶角为a的圆锥面的方程. 解在yOz坐标面内,直线L的方程为 z=ycot a,将方程z=ycota中的y改成,就得到所要求的圆锥面的方程,或 z2=a2 (x2+y2),其中a=cot a. 例5.将xOz坐标面上的双曲线分别绕x轴和z轴旋转一周,求所生成的旋转曲面的方程. 解绕x轴旋转所在的旋转曲

49、面的方程为;绕z轴旋转所在的旋转曲面的方程为. 这两种曲面分别叫做双叶旋转双曲面和单叶旋转双曲面. 三、柱面例6方程x2+y2=R2表示怎样的曲面？解方程x2+y2=R2在xOy面上表示圆心在原点O、半径为R的圆.在空间直角坐标系中,这方程不含竖坐标z, 即不论空间点的竖坐标z怎样,只要它的横坐标x和纵坐标y能满足这方程,那么这些点就在这曲面上.也就是说,过xOy面上的圆x2+y2=R2,且平行于z轴的直线一定在x2+y2=R2表示的曲面上.所以这个曲面可以看成是由平行于z轴的直线l沿xOy面上的圆x2+y2=R2移动而形成的.这曲面叫做圆柱面,xOy面上的圆x2+y2=R2叫做它的准线,这平

50、行于z轴的直线l叫做它的母线. 一般的，直线L沿定曲线C平行移动形成的轨迹叫做柱面,定曲线C叫做柱面的准线,动直线L叫做柱面的母线. 上面我们看到,不含z的方程x2+y2=R2在空间直角坐标系中表示圆柱面,它的母线平行于z轴,它的准线是xOy面上的圆x2+y2=R2. 类似地,方程y2=2x表示母线平行于z轴的柱面,它的准线是xOy面上的抛物线y2 =2x,该柱面叫做抛物柱面. 又如,方程 x-y=0表示母线平行于z轴的柱面,其准线是xOy面的直线 x-y=0,所以它是过z轴的平面. 一般地,只含x、y而缺z的方程F(x,y)=0,在空间直角坐标系中表示母线平行于z轴的柱面,其准线是xOy面上

51、的曲线C: F(x,y)=0. 类似可知,只含x、z而缺y的方程G(x,z)=0和只含y、z而缺x的方程H(y,z)=0分别表示母线平行于y轴和x轴的柱面. 例如,方程 x-z=0表示母线平行于y轴的柱面,其准线是xOz面上的直线 x-z=0. 所以它是过y轴的平面. 四、二次曲面与平面解析几何中规定的二次曲线相类似,我们把三元二次方程所表示的曲面叫做二次曲面.把平面叫做一次曲面.二次曲面有九种，适当选取空间直角坐标系，可得它们的标准方程.下面就九种二次曲面的标准方程来讨论二次曲面的形状.(1)椭圆锥面 以垂直于z轴的平面z=t截此曲面,当t=0时得一点(0, 0, 0);当t¹0时

52、,得平面z=t上的椭圆.当t变化时,上式表示一族长短轴比例不变的椭圆,当|t|从大到小并变为0时,这族椭圆从大到小并缩为一点.综合上述讨论,可得椭圆锥面的形状如图. 平面z=t与曲面F(x,y,z)=0的交线称为截痕.通过综合截痕的变化来了解曲面形状的方法称为截痕法.我们还可以用伸缩变形的方法来得出椭圆锥面（1）的形状. 先说明xOy平面上的图形伸缩变形的方法.在xOy平面上，把点M(x,y)变为点(,y)，从而把点M的轨迹C变为点的轨迹，称为把图形C沿y轴方向伸缩倍变成图形.假如C为曲线F(x,y)=0，点,点M变为点，其中，即，因点M，有，故，因此点的轨迹的方程为.例如把圆沿y轴方向伸缩倍

53、，就变为椭圆. 类似地，把空间图形沿y轴方向伸缩倍，那么圆锥面即变为椭圆锥面.利用圆锥面（旋转曲面）的伸缩变形来得出椭圆锥面的形状，这种方法是研究曲面形状的一种较方便的方法.(2)椭球面 把xOz面上的椭圆绕z轴旋转，所得曲面称为旋转椭球面，其方程为沿再把旋转椭球面沿y轴方向伸缩倍，便得椭球面（2）的形状如图所示.当时，椭球面（2）成为，这是球心在原点、半径为a的球面.显然，球面是旋转椭球面的特殊情形，旋转椭球面是椭球面的特殊情形.把球面沿z轴方向伸缩倍,即得旋转椭球面;再沿y轴方向伸缩倍,即得椭球面. (3)单叶双曲面 把xOz面上的双曲线绕z轴旋转,得旋转单叶双曲面;把此旋转曲面沿y轴方向

54、伸缩倍,即得单叶双曲面. (4)双叶双曲面 把xOz面上的双曲线绕x轴旋转,得旋转双叶双曲面;把此旋转曲面沿y轴方向伸缩倍,即得双叶双曲面（4）. (5)椭圆抛物面 把xOz面上的抛物线绕z轴旋转,所得曲面叫做旋转抛物面,把此旋转曲面沿y轴方向伸缩倍,即得椭圆抛物面（5）. (6)双曲抛物面 双曲抛物面又称马鞍面.我们用截痕法来讨论它的形状.用平面x=t截此曲面,所得截痕l为平面x=t上的抛物线,此抛物线开口朝下,其顶点坐标为.当t变化时,l的形状不变,位置只作平移,而l的顶点的轨迹L为平面y=0上的抛物线.因此,以l为母线,L为准线,母线l的顶点在准线L上滑动,且母线作平行移动,这样得到的曲面便是双曲抛物面（6）.还有三种二次曲面是以三种二次曲线为准线的柱面:,依次称为椭圆柱面、双曲柱面、抛物柱面.柱面的形状在第三目中已经讨论过，这里不再赘述.习 题 三1、一动点与两定点（2,3,1）和（4,5,6）等距离，求这动点的轨迹方程.2、建立以点（1,3,-2）为球心，且通过坐标原点的球面