11-空间几何

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11-空间几何

平面点集#

内点

∃U(P)  s.t.U⊂E\exists \mathrm{U}(P)\; s.t. \mathrm{U}\subset \mathrm{E}

外点

∃U(P)  s.t.U(P)∩E=∅\exists \mathrm{U}(P)\; s.t. \mathrm{U}(P)\cap E = \emptyset

边界点

∀U(P)  s.t.∃P1(∈E),P2(∉E)∈U(P)\forall \mathrm{U}(P)\; s.t. \exists P_1(\in E), P_2(\notin E) \in \mathrm{U}(P)

聚点

∀U˚(P)  s.t.∃P1(∈E)∈U˚(P)\forall \mathring{\mathrm{U}}(P)\; s.t. \exists P_1(\in E) \in \mathring{\mathrm{U}}(P)

孤立点

P∈E∧∃U˚P∩E=∅P \in E \land \exists \mathring{\mathrm{U}}{P} \cap E = \emptyset

闭集

∂E⊂E\partial E \subset E

开集

∂E⊈E\partial E \nsubseteq E

除此之外还有非开非闭集

连通集

任意两点可以连折线

区域

连通的开集就叫做区域

闭区域

区域并上边界点就是闭区域,一定是闭集,闭集不一定是闭区域,区别在连通性

有界集

存在圆包含该集合

无界集

有界集的否命题

性质#

内点∈E\text{内点}\in E外点∉E\text{外点} \notin E开区域⇒边界点∈E闭区域⇒边界点∉E\begin{aligned} \text{开区域}\Rightarrow \text{边界点} \in E \\ \text{闭区域}\Rightarrow \text{边界点} \notin E \end{aligned}内点⊂聚点\text{内点} \subset \text{聚点}边界点⊂?聚点(稠密,离散)\text{边界点}\overset{?} \subset \text{聚点}(\text{稠密,离散})

向量#

夹角#

范围

0≤a,b^≤π0 \le \widehat{\mathbf{a},\mathbf{b}} \le \pi

投影#

投影,是值

Prjba=∣a∣⋅cos⁡φ(φ=a,b^)\mathrm{Prj}_{\mathbf{b}}{\mathbf{a}} = |\mathbf{a}| \cdot \cos{\varphi}\quad (\varphi = \widehat{\mathbf{a},\mathbf{b}})

a\mathbf{a}在b\mathbf{b}上的投影向量为

a⋅b∣b∣⋅b∣b∣\frac{\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}}{|\mathbf{b}|} \cdot \frac{\mathbf{b}}{|\mathbf{b}|}

三维向量#

方向角#

范围

0≤θ≤π0 \le \theta \le \pi(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)=(x∣r∣,y∣r∣,z∣r∣)(\cos{\alpha}, \cos{\beta}, \cos{\gamma}) = (\frac{x}{|r|},\frac{y}{|r|},\frac{z}{|r|})

叉乘#

a×b=∣i^j^k^xayazaxbybzb∣\mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{vmatrix} \hat{i} &\hat{j} &\hat{k} \\ x_{\mathbf{a}} &y_{\mathbf{a}} &z_{\mathbf{a}} \\ x_{\mathbf{b}} &y_{\mathbf{b}} &z_{\mathbf{b}} \end{vmatrix}

性质#

a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\mathbf{a} \times (\mathbf{b} \times \mathbf{c}) = (\mathbf{a} \cdot \mathbf{c})\mathbf{b} - (\mathbf{a} \cdot \mathbf{b})\mathbf{c}

直线#

距离#

distance=∣p∣2−∣p⋅v∣v∣∣2=∣p×v∣∣v∣distance = \sqrt{|\mathbf{p}|^2 - \left|\frac{\mathbf{p} \cdot \mathbf{v}}{|\mathbf{v}|}\right|^2}=\frac{|\mathbf{p}\times\mathbf{v}|}{|\mathbf{v}|}

曲线#

方程为

(α(t),β(t),γ(t))(\alpha(t), \beta(t), \gamma(t))

法平面#

方程为

α′(t0)(x−α(t0))+β′(t0)(y−β(t0))+γ′(t0)(z−γ(t0))=0\alpha'(t_0)(x-\alpha(t_0))+\beta'(t_0)(y-\beta(t_0))+\gamma'(t_0)(z-\gamma(t_0)) = 0

面#

本质为自由度为2的有序数列的点集合

平面#

系数数组即为法向量

夹角#

与平面#

范围

0≤θ≤π20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

法向量夹角和平面夹角互补

cos⁡θ=∣n1⋅n2∣∣n1∣∣n2∣\cos{\theta} = \frac{| \mathbf{n_1} \cdot \mathbf{n_2}|}{ |\mathbf{n_1}| |\mathbf{n_2}| }

与直线#

范围

0≤θ≤π20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

与方向向量和法向量的夹角互补

sin⁡θ=∣s⋅n2∣∣s∣∣n2∣\sin{\theta} = \frac{| \mathbf{s} \cdot \mathbf{n_2}|}{ |\mathbf{s}| |\mathbf{n_2}| }

垂足#

H=P−n⋅P+d∥n∥2nH=P-\frac{\mathbf{n}\cdot P+d}{\|\mathbf{n}\|^2}\mathbf{n}

曲面#

F(x,y,z)=0F(x,y,z) = 0

旋转曲面#

前提#

旋转轴

(α(t),β(t),γ(t))(\alpha(t), \beta(t), \gamma(t))

母线

(p(i),q(i),r(i))(p(i),q(i),r(i))

推导#

由旋转轴法平面

α′(t)(x−α(t))+β′(t)(y−β(t))+γ′(t)(z−γ(t))=0\alpha'(t)(x-\alpha(t))+\beta'(t)(y-\beta(t))+\gamma'(t)(z-\gamma(t)) = 0

可反解出t=t(x,y,z)t = t(x,y,z)

{α′(t)(x−α(t))+β′(t)(y−β(t))+γ′(t)(z−γ(t))=0x=p(i)y=q(i)z=r(i)\begin{cases} \alpha'(t)(x-\alpha(t))+\beta'(t)(y-\beta(t))+\gamma'(t)(z-\gamma(t)) = 0 \\ x = p(i) \\ y = q(i) \\ z = r(i) \end{cases}

五个变量四个方程得到ii和tt的关系,设

i=f(t)i = f(t)

则有母线

(p(f(t)),q(f(t)),r(f(t)))=(u(t),v(t),w(t))(p(f(t)),q(f(t)),r(f(t))) = (u(t), v(t), w(t))

设任意动点P(x,y,z)P(x,y,z)

则

P到旋转轴距离=(u(t(x,y,z)), v(t(x,y,z)), w(t(x,y,z)))到旋转轴距离\text{P到旋转轴距离}=\text{(u(t(x,y,z)), v(t(x,y,z)), w(t(x,y,z)))到旋转轴距离}

为旋转曲面方程

法向量#

(Fx,Fy,Fz)(F_x, F_y, F_z)

切平面#

法向式

Fx(x0)(x−x0)+Fy(y0)(y−y0)+Fz(z0)(z−z0)=0F_x(x_0)(x-x_0)+F_y(y_0)(y-y_0)+F_z(z_0)(z-z_0)=0

几何#

柱体#

只约束了某一个平面的轮廓形状,在这个平面的法方向上自由平移轮廓,轮廓轨迹形成了柱型体,也就是柱体。可见,柱体由所在平面的轮廓方程决定

圆柱#

x2+y2=R2x^2+y^2=R^2

椭圆柱#

x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1

旋转体#

球面#

(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2=R2(x-x_0)^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=R^2

球面
球面
特殊形式:

x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2

锥面#

圆锥面#

x2+y2=z2x^2+y^2=z^2

圆锥面
圆锥面
一般形式:

x2+y2=k2z2x^2+y^2=k^2z^2

将切面从垂直轴线旋转至平行轴线,为椭圆,抛物线,双曲线

椭圆锥面#

x2a2+y2b2=z2c2\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2} = \frac{z^2}{c^2}

椭圆锥面
椭圆锥面
等价形式:

x2a2+y2b2−z2c2=0\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2} -\frac{z^2}{c^2}=0

二次曲面#

椭球面#

x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} =1

椭球面
椭球面

单叶双曲面#

x2a2+y2b2−z2c2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} =1

单叶双曲面
单叶双曲面

双叶双曲面#

−x2a2−y2b2+z2c2=1-\frac{x^2}{a^2} -\frac{y^2}{b^2} +\frac{z^2}{c^2} =1

## 双叶双曲面
## 双叶双曲面
等价形式:

z2c2−x2a2−y2b2=1\frac{z^2}{c^2} - \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} =1

椭圆抛物面#

z=x2a2+y2b2z= \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}

椭圆抛物面
椭圆抛物面

双曲抛物面(马鞍面)#

z=x2a2−y2b2z= \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2}

双曲抛物面
双曲抛物面

二次曲面一般式#

Ax2+By2+Cz2+Dxy+Exz+Fyz+Gx+Hy+Iz+J=0Ax^2+By^2+Cz^2 +Dxy+Exz+Fyz +Gx+Hy+Iz+J=0

总结#

graph LR st(("开始")) jud0{"有非零常数项?"} jud1{"系数有异号"} jud2{"是否齐次"} jud3{"一般式系数乘积"} A["椭球面/双曲面"] B["抛物面/圆锥"] C["双曲面"] D["椭球面"] E["抛物面"] F["圆锥"] G1["单叶"] G2["双叶"] st--->jud0 jud0--->|"有"| A jud0--->|"无"| B A--->jud1 B--->jud2 C--->jud3 jud1--->|"有"| C jud1--->|"无"| D jud2--->|"是"| F jud2--->|"否"| E jud3--->|"为正数"|G1 jud3--->|"为负数"|G2

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11-空间几何
https://skaco2.com/posts/02-math/11-空间几何/
作者
SKACO2
发布于
2026-05-08
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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