1. 引言
平面是空间解析几何中最简单、最基本的几何图形 [1] [2] 。初中阶段我们已经学过确定空间中一个平面的几种条件,如不在同一直线上的三点确定一个平面,一条直线和该直线外一点确定一个平面,两条相交直线确定一个平面,两条平行直线确定一个平面等,这些确定平面的条件虽然不同,但是它们相互之间是有联系的,都可以相互转化。在空间中引入坐标系后,点和直线上的方向向量就有坐标表示,借助这些几何量的坐标表示我们可以给出平面方程的表达式,如点位式,点法式,三点式,截距式,一般式等。平面方程的表达形式虽然多种多样,但是这些表达式本质上是一样的。根据不同的条件,就会产生不同求解平面方程的方法,学生初学时由于面临多种求解平面方程的方法,且对题目了解不够深刻,导致思路不清,对题目无从下手。下面针对两道常见的求解平面方程的习题 [3] ,多角度考虑,从不同方法入手,形成不同的解题思路。希望同学们可以参考这两道习题的多种求解方法打开思路,根据不同的条件采取合适的求解方法。
2. 平面方程的解法
例1 求经过直线
且平行于直线
的平面方程。
分析设所求平面为
,直线
过定点
且方向向量为
,直线
过定点
且方向向量为
,因为
、
和
不共面,由此可知直线
与直线
是异面直线。若利用平面方程的“点法式”求解此题,则需要找到平面上一点及平面上的法向量。
解法1 设所求平面
的法向量为
,因为
与
,
的方向向量垂直,所以取
。因为平面
经过直线
,所以直线
上的点都在平面
上,即
是平面
上的一点。故通过点
且法向量为
的平面方程为
。
分析已知所求平面
是平行于直线
和
,那么两条直线上的方向向量
和
可以作为平面上的方位向量。我们可以利用平面上一点及两个不共线的方位向量,通过“点位式”方程求解此题。
解法2由已知可得,平面
过点
且
、
是平面
上的方位向量,则平面方程为
,整理得
。
分析受解法2的启发,根据同样的已知条件,给出平面的参数方程(向量式/坐标式)。
解法3 设平面通过矢径
,方位向量为
、
,则平面的参数方程为
(
为参数),即:
,
,
。
分析利用“三点式”来求平面方程,即由平面上不共线的三个点的坐标给出平面方程。已知直线
在所求平面上,可以在
上任取两点,此时只需要知道平面上与前两个点不共线的第三个点的坐标,就可以运用平面的“三点式”方程求出平面方程。
解法4 取直线
上的两点
和
。由于直线
上的点
不在所求平面
上,从而设点
在平面
上的射影点为
。因为
与
是异面直线,所以
与
之间的距离为
。
又因为
垂直于平面
,故
与
平行,即
,由于
构成一个直角三角形,根据勾股定理得
,
联立上两式可得
,
,
,即
。从而过
,
,
的平面方程为
,
即
。
分析空间中任一一个平面都可以用关于x,y,z的三元一次方程来表示,我们可以设出此平面的一般方程,通过已知条件求解方程中的系数,最终得到该平面方程的具体表达式。
解法5 设所求平面的一般方程为
,由于平面
经过直线
且平行于直线
,所以平面
的法向量
与
,
的方向向量垂直,即
,解得
,此时令
。因为直线
在平面
上,所以直线
上的点
也在平面
上,把点
代入平面
的方程中,得
,从而平面
。
分析经过空间中同一条直线的一切平面的集合叫做共轴平面束,借助直线的方程可以给出经过该直线的平面束的方程,我们利用平面束求解平面方程,先确定通过直线
的平面束方程,该平面束中有无穷多个平面,其中只有一个平面是与直线
平行,从而得到所求平面方程。
解法6 设直线
的一般方程为
,则过直线
的平面束方程为
,
整理得
。又因为所求平面平行于直线
,所以平面的法向量与直线
的方向向量垂直,从而
,解得
。不失一般性,令
,故所求平面方程为
。
分析受解法6平面束的启发,分析经过直线
的平面与经过直线
的平面,因为所求平面
是经过直线
且与异面直线
是平行的,从而可知经过
的平面束中至少有一个平面与经过直线
的平面是平行的。
解法7 直线
与
的一般方程分别为
由此可知直线
经过平面
,直线
经过平面
,由于平面
平行于平面
,所以两条异面直线
与
在两个平行平面内。题目中求通过直线
且平行于直线
的平面
,是由
和
的方向向量所决定的。故平面
与平面
,
是平行的,又因为直线
在所求平面
上,所以平面
就是所求平面。
针对本道例题,即求经过一条直线且平行于另一条异面直线的平面方程,“点位式”,“点法式”,“一般式”都比较简单。因为“三点式”需要借助平面上不共线的三点求解平面方程,根据已知条件一条直线在平面上,那我们可以在此直线上任选两点,但是想寻找第三个点就需要借助勾股定理及异面直线之间的距离。虽然“三点式”也可以求出平面方程,但对于此题来说“三点式”并不简便。借助平面束的定义,只要已知条件中所求平面经过某一条直线l,就可以写出过该直线l的平面束方程,那么所求平面一定在这个平面束中。相对上述几种解法,方法7更简便,因为所求平面
平行于直线
和
,则必存在经过直线
的平面
,必存在经过直线
的平面
,使得
。再根据直线
、
的一般方程,得到平面
和
,则平面
的方程也就可知。但是此方法也是有局限的,如果从直线
、
的一般方程中不能轻易的得到互相平行的平面
和
,那么此方法的简便优势也就不存在了。
例2 求过点
而与两直线
和
平行的平面的方程。
分析设所求平面为
,题目中两直线分别记为
与
,直线
的方向向量为
,直线
的方向向量为
,取直线
上的一点
,直线
上的一点
,根据
,
由此可知
与
是两条异面直线。因为平面
平行于直线
与
,所以直线上的方向向量
和
可以作为平面上两个不共线的方位向量,运用“点位式”求平面方程。
解法1 由已知可得,平面过点
,且直线
与
的方向向量
和
是平面
的两个不共线的方位向量,则平面方程为
,整理得
。
分析受解法1的启发,根据同样的已知条件,给出平面的参数方程(向量式/坐标式)。
解法2 设平面通过矢径
,方位向量为
、
,则平面的参数方程为
(
为参数),即:
,
,
。
分析因为平面
平行于直线
与
,所以可由直线的方向向量构造平面的法向量,运用“点法式”求平面方程。
解法3 设平面
上的法向量为
,因为
与直线
、
的方向向量都垂直,所以取
,
故经过点P且以
为法向量的平面方程为
,即
。
分析利用平面的一般方程求解此题。
解法4 设平面
的一般方程为
,因为直线
与
都平行于平面
,所以直线上的方向向量
和
都与平面上的法向量
垂直,即
,解得
,此时令
。又因为点P在平面
上,代入方程中,得
,从而平面
。
分析利用平面束求解此题,题目中给出两条异面直线的一般方程,可以分别求出经过直线
和直线
的平面束方程,已知所求平面
与直线
、
都平行,这说明经过直线
的平面束中至少有一个平面与经过直线
的平面束中的一个平面平行,并且这两个平面与平面
也平行。根据平行平面方程最终得到平面
的方程。
解法5 由于直线
与
平行于平面
,那么必存在经过直线
的平面
平行于经过直线
的平面
平行于所求平面
。因为直线
与
是两条异面直线,所以分别求出经过直线
与直线
的平面束方程。设经过直线
的平面束方程为
,整理得
。
设经过直线
的平面束方程为
,整理得
。
现寻找这两个平面束中的平行平面,令
,得
,不妨取
,此时令平面
,因为点P在平面
上,代入平面方程中,得
,从而平面
。
分析受解法5的启发,分别寻找经过直线
与直线
的两个平行平面,利用所求平面与这两个平行平面平行,求解此题。
解法6 直线
与
的一般方程分别为
由此可知直线
经过平面
,直线
经过平面
,故两条异面直线
、
分别在两个平行平面内。已知直线
与
都平行于平面
,所以必有经过直线
的一个平面平行于经过直线
的一个平面,并且平面
平行于上述两个平面。因为
平行于
,从而
平行于
平行于
,令平面
。因为点P在平面
上,代入平面方程中,得
,从而平面
。
针对本道例题,求经过一点且平行于两条异面直线的平面方程,仍可运用类似例1的方法求解。本题中没有用到“三点式”是因为题中只说明所求平面与直线
、
平行,但没有说明直线
、
是否在所求平面上,这样就不容易找到平面上不共线的三点,故弃用此法。
3. 结论
综上我们介绍了空间解析几何中求平面方程的两道例题的多种解法,我们发现对于同一道题虽然不同方法求得的结果是一样的,但是借助的条件及分析过程是不同的。针对题中已知条件采用简单便捷的求解方法是本文的最终目的。