高二下📐 空間與形狀
空間直線方程式
Lines in Space
公式
參數式 (x,y,z) = (x₀,y₀,z₀) + t(a,b,c)
空間中的直線要用「一點 + 方向向量」描述,寫成參數式最通用。
白話解釋
平面上一條直線可以寫成 y = mx + k,但空間中不行——那個式子在空間裡表示的是一個平面。
空間直線要用**一點 + 方向向量**來定:從點 (x₀,y₀,z₀) 出發,沿方向 (a,b,c) 走 t 倍。寫成**參數式**: x = x₀ + at、y = y₀ + bt、z = z₀ + ct。
把 t 消掉可得**對稱比例式** (x−x₀)/a = (y−y₀)/b = (z−z₀)/c。但要注意:**分母為 0 時這個寫法會失效**(例如方向向量是 (1,0,2)),這時只能寫成 y = y₀ 搭配另外兩式。參數式沒有這個問題,所以通用性更好。
**兩直線的關係**在空間中有三種(比平面多一種): 方向向量平行 → **平行**或重合; 不平行且有交點 → **相交**; 不平行也沒交點 → **歪斜**(skew)。
判斷時要小心:光看方向向量不平行**不能**斷定相交,還必須真的解出交點。把兩條直線的參數式聯立,若解得出來就相交、解不出來就歪斜。這一步最常被跳過。
(兩條直線各自用不同的參數符號,例如一條用 t、一條用 s,否則會誤判。)
什麼時候用
空間中的位置關係、求交點、3D 建模與碰撞偵測。
最容易錯的地方
- 把平面的 y = mx + k 直接搬到空間。
- 方向向量有 0 分量時仍寫對稱比例式。
- 兩直線聯立時用了同一個參數符號。
例題 · 3 題
先自己算,再看解答——這樣才有效。
- 1
過點 (1,2,3)、方向向量 (2,0,1),當 t = 2 時 x 座標是多少?
- 2
承上,t = 2 時 y 座標是多少?
- 3
兩直線方向向量不平行且無交點,稱為什麼?