高二下📐 空間與形狀
空間中的平面方程式
Equations of Planes
公式
ax + by + cz + d = 0,法向量 n = (a, b, c)
係數就是法向量。這讓判斷平行、垂直、求夾角全都變成向量運算。
白話解釋
平面方程式 ax + by + cz + d = 0 有一個極好用的性質:**係數 (a, b, c) 就是這個平面的法向量**(垂直於平面的向量)。
這句話把所有平面的位置問題都轉成向量問題: **兩平面平行** ⟺ 法向量平行; **兩平面垂直** ⟺ 法向量垂直(內積為 0); **兩平面夾角** = 法向量的夾角(或其補角)。
要寫出一個平面的方程式,只需要**一點 + 法向量**。如果題目給的是平面上三個點,就先用其中兩個向量的**外積**求出法向量,再代點。
**點到平面距離**公式和點到直線幾乎一樣,只是多一項: d = |ax₀ + by₀ + cz₀ + d| / √(a² + b² + c²)。
**直線與平面**的關係要注意方向的反轉:直線的方向向量與平面法向量**垂直**時,直線**平行於**平面(或在平面上);方向向量與法向量**平行**時,直線**垂直於**平面。這個「垂直對平行」的對應最容易搞混,記得法向量是垂直於平面的。
什麼時候用
3D 建模、判斷位置關係、求距離與夾角。
最容易錯的地方
- 把法向量當成平面內的方向向量。
- 直線與平面的平行垂直條件記反。
- 求平面方程式時忘了代點求 d。
例題 · 3 題
先自己算,再看解答——這樣才有效。
- 1
平面 2x + 3y − z + 5 = 0 的法向量 z 分量是多少?
- 2
原點到平面 2x + 2y + z − 9 = 0 的距離是多少?
- 3
平面 x + y + z = 1 與 2x + 2y + 2z = 5 是否平行?(填是或否)