Проекция точки на плоскость является частным случаем общей задачи нахождения проекции точки на поверхность. В силу простоты вычисления проекции точки на касательную к поверхности плоскость используется в качестве нулевого приближения при решении общей задачи.
Рассмотрим задачу проецирования точки на плоскость, заданную радиус-вектором
Будем считать, что векторы не коллинеарные. Допустим, что в общем случае векторы не ортогональны и имеют не единичную длину. Плоскость проходит через точку в которой параметры равны нулю, а векторы определяют параметрические направления. Заданная точка имеет единственную проекцию на плоскость (4.6.1). Построим единичную нормаль к плоскости
Рис. 4.6.1. Проекция точки на плоскость s(u, v)
Вычислим радиус-вектор проекции точки на плоскость как разность радиус-вектора проецируемой точки и составляющей вектора параллельной нормали к плоскости,
(4.6.4)
На рис. 4.6.1 показаны векторы плоскости ее начальная точка и проекция заданной точки.
Параметры и длины проекций связаны уравнениями
где косинус угла между векторами определяется по формуле (1.7.13).
Из системы этих уравнений найдем параметры проекции точки на плоскость
(4.6.6)
где - коэффициенты первой основной квадратичной формы плоскости (1.7.8), они же ковариантные компоненты метрического тензора поверхности, - контравариантные компоненты метрического тензора поверхности. Если векторы ортогональные, то формулы (4.6.6) и (4.6.7) примут вид
Расстояние от точки до ее проекции на плоскость в общем случае вычисляется как длина вектора . Расстояние от точки до ее проекции на плоскость можно определить, не вычисляя проекцию точки, а вычислив проекцию вектора на нормаль к плоскости
(4.6.8)
Частные случаи.
Проекции точки на некоторые аналитические поверхности могут быть найдены без привлечения численных методов. Например, чтобы найти проекции точки на поверхность кругового цилиндра, конуса, сферы или тора, нужно перевести проецируемую точку в местную систему координат поверхности, где легко найти параметры проекций. Аналогично могут быть найдены проекции на поверхности выдавливания и вращения. В некоторых частных случаях положения проецируемой точки ее проекции могут быть легко найдены и на другие поверхности.
Общий случай.
Рассмотрим задачу проецирования точки на поверхность в общем случае. Пусть требуется найти все проекции точки на поверхность . Каждая искомая точка поверхности удовлетворяет системе двух уравнений
Система уравнений (4.6.9) содержит две неизвестные величины - параметры u и v. Эта задача решается так же, как и задача нахождения проекций заданной точки на кривую.
На первом этапе определим нулевые приближения параметров поверхности для проекций точки, а на втором этапе найдем точные значения параметров, определяющие проекции заданной точки на поверхность
Пройдем по поверхности с шагами вычисляемыми по формулам (4.2.4) и (4.2.5), описанным выше способом движения по параметрической области. Обозначим параметры точек, через которые мы пройдем, через . В каждой точке будем вычислять скалярные произведения векторов
(4.6.10)
Если искомое решение лежит вблизи точки с параметрами , то будут иметь разные знаки, а также и будут иметь разные знаки. Смена знаков скалярных произведений говорит о том, что рядом находится искомое решение. За нулевое приближение параметров примем значения Начиная с нулевого приближения параметров, одним из методов решения нелинейных уравнений найдем решение задачи с заданной точностью. Например, в методе Ньютона на итерации приращения параметров проекции найдутся из системы линейных уравнений
где частные производные радиус-вектора по параметрам. Следующее приближение параметров проекции точки равны . Процесс уточнения параметров закончим, когда на очередной итерации выполнятся неравенства , где - заданная погрешность. Таким же образом найдем все остальные корни системы уравнений (4.6.9).
Если требуется найти только ближайшую проекцию заданной точки на поверхность, то можно пройти по тем же точкам геометрического объекта и выбрать из них ближайшую к заданной точке. Параметры ближайшей точки и следует выбрать в качестве нулевого приближения решения задачи.
Проекция точки на поверхность в заданном направлении.
В определенных случаях возникает задача определения проекции точки на поверхность не по нормали к ней, а вдоль заданного направления. Пусть направление проецирования задано вектором единичной длины q. Построим прямую линию
(4.6.12)
проходящую через заданную точку и имеющую направление заданного вектора. Проекции точки на поверхность в заданном направлении определим как точки пересечения поверхности с прямой (4.6.12), проходящей через заданную точку в заданном направлении.
Изучение свойств фигур в пространстве и на плоскости невозможно без знания расстояний между точкой и такими геометрическими объектами, как прямая и плоскость. В данной статье покажем, как находить эти расстояния, рассматривая проекцию точки на плоскость и на прямую.
Уравнение прямой для двумерного и трехмерного пространств
Расчет расстояний точки до прямой и плоскости осуществляется с использованием ее проекции на эти объекты. Чтобы уметь находить эти проекции, следует знать, в каком виде задаются уравнения для прямых и плоскостей. Начнем с первых.
Прямая представляет собой совокупность точек, каждую из которых можно получить из предыдущей с помощью переноса на параллельные друг другу вектора. Например, имеется точка M и N. Соединяющий их вектор MN¯ переводит M в N. Имеется также третья точка P. Если вектор MP¯ или NP¯ параллелен MN¯, тогда все три точки на одной прямой лежат и образуют ее.
В зависимости от размерности пространства уравнение, задающее прямую, может изменять свою форму. Так, всем известная линейная зависимость координаты y от x в пространстве описывает плоскость, которая параллельна третьей оси z. В связи с этим в данной статье будем рассматривать только векторное уравнение для прямой. Оно имеет одинаковый вид для плоскости и трехмерного пространства.
В пространстве прямую можно задать следующим выражением:
(x; y; z) = (x 0 ; y 0 ; z 0) + α*(a; b; c)
Здесь значения координат с нулевыми индексами соответствуют принадлежащей прямой некоторой точки, u¯(a; b; c) - координаты направляющего вектора, который лежит на данной прямой, α - произвольное действительное число, изменяя которое можно получить все точки прямой. Это уравнение называется векторным.
Часто приведенное уравнение записывают в раскрытом виде:
Аналогичным образом можно записать уравнение для прямой, находящейся в плоскости, то есть в двумерном пространстве:
(x; y) = (x 0 ; y 0) + α*(a; b);
Уравнение плоскости
Чтобы уметь находить расстояние от точки до плоскостей проекций, необходимо знать, как задается плоскость. Так же, как и прямую, ее можно представить несколькими способами. Здесь рассмотрим один единственный: общее уравнение.
Предположим, что точка M(x 0 ; y 0 ; z 0) плоскости принадлежит, а вектор n¯(A; B; C) ей перпендикулярен, тогда для всех точек (x; y; z) плоскости справедливым будет равенство:
A*x + B*y + C*z + D = 0, где D = -1*(A*x 0 + B*y 0 + C*z 0)
Следует запомнить, что в этом общем уравнении плоскости коэффициенты A, B и C являются координатами нормального к плоскости вектора.
Расчет расстояний по координатам
Перед тем как переходить к рассмотрению проекций на плоскость точки и на прямую, следует напомнить, как следует рассчитывать расстояние между двумя известными точками.
Пусть имеются две пространственные точки:
A 1 (x 1 ; y 1 ; z 1) и A 2 (x 2 ; y 2 ; z 2)
Тогда дистанция между ними вычисляется по формуле:
A 1 A 2 = √((x 2 -x 1) 2 +(y 2 -y 1) 2 +(z 2 -z 1) 2)
С помощью этого выражения также определяют длину вектора A 1 A 2 ¯.
Для случая на плоскости, когда две точки заданы всего парой координат, можно записать аналогичное равенство без присутствия в нем члена с z:
A 1 A 2 = √((x 2 -x 1) 2 +(y 2 -y 1) 2)
Теперь рассмотрим различные случаи проекции на плоскости точки на прямую и на плоскость в пространстве.
Точка, прямая и расстояние между ними
Предположим, что имеется некоторая точка и прямая:
P 2 (x 1 ; y 1);
(x; y) = (x 0 ; y 0) + α*(a; b)
Расстояние между этими геометрическими объектами будет соответствовать длине вектора, начало которого лежит в точке P 2 , а конец находится в такой точке P на указанной прямой, для которой вектор P 2 P ¯ этой прямой перпендикулярен. Точка P называется проекцией точки P 2 на рассматриваемую прямую.
Ниже приведен рисунок, на котором изображена точка P 2 , ее расстояние d до прямой, а также вектор направляющий v 1 ¯. Также на прямой выбрана произвольная точка P 1 и от нее до P 2 проведен вектор. Точка P здесь совпадает с местом, где перпендикуляр пересекает прямую.
Видно, что оранжевые и красные стрелки образуют параллелограмм, сторонами которого являются вектора P 1 P 2 ¯ и v 1 ¯, а высотой - d. Из геометрии известно, что для нахождения высоты параллелограмма следует разделить его площадь на длину основания, на которое опущен перпендикуляр. Поскольку площадь параллелограмма вычисляется как векторное произведение его сторон, то получаем формулу для расчета d:
d = ||/|v 1 ¯|
Все вектора и координаты точек в этом выражении известны, поэтому можно им пользоваться без выполнения каких-либо преобразований.
Решить эту задачу можно было бы иначе. Для этого следует записать два уравнения:
- скалярное произведение P 2 P ¯ на v 1 ¯ должно равняться нулю, поскольку эти вектора взаимно перпендикулярны;
- координаты точки P должны удовлетворять уравнению прямой.
Этих уравнений достаточно, чтобы найти координаты P, а затем и длину d по формуле, приведенной в предыдущем пункте.
Задача на нахождение дистанции между прямой и точкой
Покажем, как использовать данные теоретические сведения для решения конкретной задачи. Допустим, известны следующая точка и прямая:
(x; y) = (3; 1) - α*(0; 2)
Необходимо найти точки проекции на прямую на плоскости, а также расстояние от M до прямой.
Обозначим проекцию, которую следует найти, точкой M 1 (x 1 ; y 1). Решим эту задачу двумя способами, описанными в предыдущем пункте.
Способ 1. Направляющий вектор v 1 ¯ координаты имеет (0; 2). Чтобы построить параллелограмм, выберем принадлежащую прямой какую-нибудь точку. Например, точку с координатами (3; 1). Тогда вектор второй стороны параллелограмма будет иметь координаты:
(5; -3) - (3; 1) = (2; -4)
Теперь следует вычислить произведение векторов, задающих стороны параллелограмма:
Подставляем это значение в формулу, получаем расстояние d от M до прямой:
Способ 2. Теперь найдем другим способом не только расстояние, но и координаты проекции M на прямую, как это требует условие задачи. Как было сказано выше, для решения задачи необходимо составить систему уравнений. Она примет вид:
(x 1 -5)*0+(y 1 +3)*2 = 0;
(x 1 ; y 1) = (3; 1)-α*(0; 2)
Решаем эту систему:
Проекция исходной точки координаты имеет M 1 (3; -3). Тогда искомое расстояние равно:
d = |MM 1 ¯| = √(4+0) = 2
Как видим, оба способа решения дали одинаковый результат, что говорит о правильности выполненных математических операций.
Проекция точки на плоскость
Теперь рассмотрим, что представляет собой проекция точки, заданной в пространстве, на некоторую плоскость. Несложно догадаться, что этой проекцией также является точка, которая вместе с исходной образует перпендикулярный плоскости вектор.
Предположим, что проекция на плоскость точки М координаты имеет следующие:
Сама плоскость описывается уравнением:
A*x + B*y + C*z + D = 0
Исходя из этих данных, мы можем составить уравнение прямой, пересекающей плоскость под прямым углом и проходящей через M и M 1:
(x; y; z) = (x 0 ; y 0 ; z 0) + α*(A; B; C)
Здесь переменные с нулевыми индексами - координаты точки M. Рассчитать положение на плоскости точки M 1 можно исходя из того, что ее координаты должны удовлетворять обоим записанным уравнениям. Если этих уравнений при решении задачи будет недостаточно, то можно использовать условие параллельности MM 1 ¯ и вектора направляющего для заданной плоскости.
Очевидно, что проекция точки, принадлежащей плоскости, совпадает сама с собой, а соответствующее расстояние равно нулю.
Задача с точкой и плоскостью
Пусть дана точка M(1; -1; 3) и плоскость, которая описывается следующим общим уравнением:
Следует вычислить координаты проекции на плоскость точки и рассчитать расстояние между этими геометрическими объектами.
Для начала построим уравнение прямой, проходящей через М и перпендикулярной указанной плоскости. Оно имеет вид:
(x; y; z) = (1; -1; 3) + α*(-1; 3; -2)
Обозначим точку, где эта прямая пересекает плоскость, M 1 . Равенства для плоскости и прямой должны выполняться, если в них подставить координаты M 1 . Записывая в явном виде уравнение прямой, получаем следующие четыре равенства:
X 1 + 3*y 1 -2*z 1 + 4 = 0;
y 1 = -1 + 3*α;
Из последнего равенства получим параметр α, затем подставим его в предпоследнее и во второе выражение, получаем:
y 1 = -1 + 3*(3-z 1)/2 = -3/2*z 1 + 3,5;
x 1 = 1 - (3-z 1)/2 = 1/2*z 1 - 1/2
Выражение для y 1 и x 1 подставим в уравнение для плоскости, имеем:
1*(1/2*z 1 - 1/2) + 3*(-3/2*z 1 + 3,5) -2*z 1 + 4 = 0
Откуда получаем:
y 1 = -3/2*15/7 + 3,5 = 2/7;
x 1 = 1/2*15/7 - 1/2 = 4/7
Мы определили, что проекция точки M на заданную плоскость соответствует координатам (4/7; 2/7; 15/7).
Теперь рассчитаем расстояние |MM 1 ¯|. Координаты соответствующего вектора равны:
MM 1 ¯(-3/7; 9/7; -6/7)
Искомое расстояние равно:
d = |MM 1 ¯| = √126/7 ≈ 1,6
Три точки проекции
Во время изготовления чертежей часто приходится получать проекции сечений на взаимно перпендикулярные три плоскости. Поэтому полезно рассмотреть, чему будут равны проекции некоторой точки M с координатами (x 0 ; y 0 ; z 0) на три координатные плоскости.
Не сложно показать, что плоскость xy описывается уравнением z = 0, плоскость xz соответствует выражению y = 0, а оставшаяся плоскость yz обозначается равенством x = 0. Нетрудно догадаться, что проекции точки на 3 плоскости будут равны:
для x = 0: (0; y 0 ; z 0);
для y = 0: (x 0 ; 0 ; z 0);
для z = 0: (x 0 ; y 0 ; 0)
Где важно знать проекции точки и ее расстояния до плоскостей?
Определение положения проекции точек на заданную плоскость важно при нахождении таких величин, как площадь поверхности и объем для наклонных призм и пирамид. Например, расстояние от вершины пирамиды до плоскости основания является высотой. Последняя входит в формулу для объема этой фигуры.
Рассмотренные формулы и методики определения проекций и расстояний от точки до прямой и плоскости являются достаточно простыми. Важно лишь запомнить соответствующие формы уравнений плоскости и прямой, а также иметь хорошее пространственное воображение, чтобы успешно их применять.
Точка, как математическое понятие, не имеет размеров. Очевидно, если объект проецирования является нульмерным объектом, то говорить о его проецировании бессмысленно.
Рис.9 Рис.10
В геометрии под точкой целесообразно принимать физический объект, имеющий линейные измерения. Условно за точку можно принять шарик с бесконечно малым радиусом. При такой трактовке понятия точки можно говорить о ее проекциях.
При построении ортогональных проекций точки следует руководствоваться первым инвариантным свойством ортогонального проецирования: ортогональная проекция точки есть точка.
Положение точки в пространстве определяется тремя координатами: X, Y, Z, показывающие величины расстояний, на которые точка удалена от плоскостей проекций. Чтобы определить эти расстояния, достаточно определить точки встречи этих прямых с плоскостями проекций и измерить соответствующие величины, которые укажут соответственно значения абсциссы X , ординаты Y и аппликаты Z точки (рис. 10).
Проекцией точки является основание перпендикуляра, опущенного из точки на соответствующую плоскость проекций. Горизонтальной проекцией точки а называют прямоугольную проекцию точки на горизонтальной плоскости проекций, фронтальной проекцией а / – соответственно на фронтальной плоскости проекций и профильной а // – на профильной плоскости проекций.
Прямые Аа, Аa / и Аa // называются проецирующими прямыми. При этом прямую Аа, проецирующую точку А на горизонтальную плоскость проекций, называют горизонтально- проецирующей прямой, Аa / и Аa // - соответственно: фронтально и профильно-проецирущими прямыми.
Две проецирующие прямые, проходящие через точку А определяют плоскость, которую принято называть проецирующей.
При преобразовании пространственного макета, фронтальная проекция точки А – а / остается на месте, как принадлежащая плоскости, которая не менят своего положения при рассматриваемом преобразовании. Горизонтальная проекция – а вместе с горизонтальной плоскостью проекции повернется понаправлению движения часовой стрелки и расположится на одном перепендикуляре к оси Х с фронтальной проекцией. Профильная проекция - a // будет вращаться вместе с профильной плоскостью и к концу преобразования займет положение, указанное на рисунке 10. При этом - a // будет принадлежать перпендикуляру к оси Z , проведенному из точки а / и будет удалена от оси Z на такое же расстояние, на какое горизонтальная проекция а удалена от оси Х . Поэтому связь между горизонтально и профильной проекциями точки может быть установлена с помощью двух ортогональных отрезков аа y и а y a // и сопрягающей их дуги окружности с центром в точке пересечения осей (О – начало координат). Отмеченной связью пользуются для нахождения недостающей проекции (при двух заданных). Положение профильной (горизонтальной) проекции по заданным горизонтальной (профильной) и фронтальной проекциям может быть найдено с помощью прямой, проведенной под углом 45 0 из начала координат к оси Y (эту биссектрису называют прямой k – постоянной Монжа). Первый из указанных способов предпочтителен, как более точный.
Из этого следует:
1. Точка в пространстве удалена:
от горизонтальной плоскости H Z,
от фронтальной плоскости V на величину заданной координаты Y,
от профильной плоскости W на величину координаты.X.
2. Две проекции любой точки принадлежат одному перпендикуляру (одной линии связи):
горизонтальная и фронтальная – перпендикуляру к оси X,
горизонтальная и профильная – перпендикуляру к оси Y,
фронтальная и профильная – перпендикуляру к оси Z.
3. Положение точки в пространстве вполне определяется положением ее двух ортогональных проекций. Из этого следует – по двум любым заданным ортогональным проекциям точки всегда иожно построить недостающую ее третью проекцию.
Если точка имеет три определенные координаты, то такую точку называют точкой общего положения. Если у точки одна или две координаты имеют нулевое значение, то такую точку называют точкой частного положения.
Рис. 11 Рис. 12
На рисунке 11 дан пространственный чертеж точек частного положения, на рисунке 12 – комплексных чертеж (эпюр) этих точек. Точка А принадлежит фронтальной плоскости проекций, точка В – горизонтальной плоскости проекций, точка С – профильной плоскости проекций и точка D – оси абсцисс (Х ).
ПРОЕЦИРОВАНИЕ ТОЧКИ НА ДВЕ ПЛОСКОСТИ ПРОЕКЦИЙ
Образование отрезка прямой линии АА 1 можно представить как результат перемещения точки А в какой-либо плоскости Н (рис. 84, а), а образование плоскости - как перемещение отрезка прямой линии АВ (рис. 84, б).
Точка - основной геометрический элемент линии и поверхности, поэтому изучение прямоугольного проецирования предмета начинается с построения прямоугольных проекций точки.
В пространство двугранного угла, образованного двумя перпендикулярными плоскостями - фронтальной (вертикальной) плоскостью проекций V и горизонтальной плоскостью проекций Н, поместим точку А (рис. 85, а).
Линия пересечения плоскостей проекций - прямая, которая называется осью проекций и обозначается буквой х.
Плоскость V здесь изображена в виде прямоугольника, а плоскость Н - в виде параллелограмма. Наклонную сторону этого параллелограмма обычно проводят под углом 45° к его горизонтальной стороне. Длина наклонной стороны берется равной 0,5 ее действительной длины.
Из точки А опускают перпендикуляры на плоскости V и Н. Точки а"и а пересечения перпендикуляров с плоскостями проекций V и Н являются прямоугольными проекциями точки А. Фигура Ааа х а" в пространстве - прямоугольник. Сторона аах этого прямоугольника на наглядном изображении уменьшается в 2 раза.
Совместим плоскости Н с плоскостью V ,вращая V вокруг линии пересечения плоскостей х. В результате получается комплексный чертеж точки А (рис. 85, б)
Для упрощения комплексного чертежа границы плоскостей проекций V и Н не указывают (рис. 85, в).
Перпендикуляры, проведенные из точки А к плоскостям проекций, называются проецирующими линиями, а основания этих проецирующих линий - точки а и а" - называются проекциями точки А: а" - фронтальная проекция точки А, а - горизонтальная проекция точки А.
Линия а" а называется вертикальной линией проекционной связи.
Расположение проекции точки на комплексном чертеже зависит от положения этой точки в пространстве.
Если точка А лежит на горизонтальной плоскости проекций Н (рис. 86, а), то ее горизонтальная проекция а совпадает с заданной точкой, а фронтальная проекция а" располагается на оси При расположении точки В на фронтальной плоскости проекций V ее фронтальная проекция совпадает с этой точкой, а горизонтальная проекция лежит на оси х. Горизонтальная и фронтальная проекции заданной точки С, лежащей на оси х, совпадают с этой точкой. Комплексный чертеж точек А, В и С показан на рис. 86, б.
ПРОЕЦИРОВАНИЕ ТОЧКИ НА ТРИ ПЛОСКОСТИ ПРОЕКЦИЙ
В тех случаях, когда по двум проекциям нельзя представить себе форму предмета, его проецируют на три плоскости проекций. В этом случае вводится профильная плоскость проекций W, перпендикулярная плоскостям V и Н. Наглядное изображение системы из трех плоскостей проекций дано на рис. 87, а.
Ребра трехгранного угла (пересечение плоскостей проекций) называются осями проекций и обозначаются x, у и z. Пересечение осей проекций называется началом осей проекций и обозначается буквой О. Опустим из точки А перпендикуляр на плоскость проекций W и, отметив основание перпендикуляра буквой а", получим профильную проекцию точки А.
Для получения комплексного чертежа точки А плоскости Н и W совмещают с плоскостью V, вращая их вокруг осей Ох и Oz. Комплексный чертеж точки А показан на рис. 87, б и в.
Отрезки проецирующих линий от точки А до плоскостей проекций называются координатами точки А и обозначаются: х А, у А и z A .
Например, координата z A точки А, равная отрезку а"а х (рис. 88, а и б), есть расстояние от точки А до горизонтальной плоскости проекций Н. Координата у точки А, равная отрезку аа х, есть расстояние от точки А до фронтальной плоскости проекций V. Координата х А, равная отрезку аа у - расстояние от точки А до профильной плоскости проекций W.
Таким образом, расстояние между проекцией точки и осью проекции определяют координаты точки и являются ключом к чтению ее комплексного чертежа. По двум проекциям точки можно определить все три координаты точки.
Если заданы координаты точки А (например, х А =20 мм, у А =22мм и z A = 25 мм), то можно построить три проекции этой точки.
Для этого от начала координат О по направлению оси Oz откладывают вверх координату z A и вниз координату у А.Из концов отложенных отрезков - точек a z и а у (рис. 88, а) - проводят прямые, параллельные оси Ох, и на них откладывают отрезки, равные координате х А. Полученные точки а" и а - фронтальная и горизонтальная проекции точки А.
По двум проекциям а" и а точки А построить ее профильную проекцию можно тремя способами:
1) из начала координат О проводят вспомогательную дугу радиусом Оа у, равным координате (рис. 87, б и в), из полученной точки а у1 проводят прямую, параллельную оси Oz, и откладывают отрезок, равный z A ;
2) из точки а у проводят вспомогательную прямую под углом 45° к оси Оу (рис. 88, а), получают точку а у1 и т. д.;
3) из начала координат О проводят вспомогательную прямую под углом 45° к оси Оу (рис. 88, б), получают точку а у1 и т. д.
В этой статье мы найдем ответы на вопросы о том, как создать проекцию точки на плоскость и как определить координаты этой проекции. Опираться в теоретической части будем на понятие проецирования. Дадим определения терминам, сопроводим информацию иллюстрациями. Закрепим полученные знания при решении примеров.
Проецирование, виды проецирования
Для удобства рассмотрения пространственных фигур используют чертежи с изображением этих фигур.
Определение 1
Проекция фигуры на плоскость – чертеж пространственной фигуры.
Очевидно, что для построения проекции существует ряд используемых правил.
Определение 2
Проецирование – процесс построения чертежа пространственной фигуры на плоскости с использованием правил построения.
Плоскость проекции - это плоскость, в которой строится изображение.
Использование тех или иных правил определяет тип проецирования: центральное или параллельное .
Частным случаем параллельного проецирования является перпендикулярное проецирование или ортогональное: в геометрии в основном используют именно его. По этой причине в речи само прилагательное «перпендикулярное» часто опускают: в геометрии говорят просто «проекция фигуры» и подразумевают под этим построение проекции методом перпендикулярного проецирования. В частных случаях, конечно, может быть оговорено иное.
Отметим тот факт, что проекция фигуры на плоскость по сути есть проекция всех точек этой фигуры. Поэтому, чтобы иметь возможность изучать пространственную фигуру на чертеже, необходимо получить базовый навык проецировать точку на плоскость. О чем и будем говорить ниже.
Напомним, что чаще всего в геометрии, говоря о проекции на плоскость, имеют в виду применение перпендикулярной проекции.
Произведем построения, которые дадут нам возможность получить определение проекции точки на плоскость.
Допустим, задано трехмерное пространство, а в нем - плоскость α и точка М 1 , не принадлежащая плоскости α . Начертим через заданную точку М 1 прямую а перпендикулярно заданной плоскости α . Точку пересечения прямой a и плоскости α обозначим как H 1 , она по построению будет служить основанием перпендикуляра, опущенного из точки М 1 на плоскость α .
В случае, если задана точка М 2 , принадлежащая заданной плоскости α , то М 2 будет служить проекцией самой себя на плоскость α .
Определение 3
– это либо сама точка (если она принадлежит заданной плоскости), либо основание перпендикуляра, опущенного из заданной точки на заданную плоскость.
Нахождение координат проекции точки на плоскость, примеры
Пускай в трехмерном пространстве заданы: прямоугольная система координат O x y z , плоскость α , точка М 1 (x 1 , y 1 , z 1) . Необходимо найти координаты проекции точки М 1 на заданную плоскость.
Решение очевидным образом следует из данного выше определения проекции точки на плоскость.
Обозначим проекцию точки М 1 на плоскость α как Н 1 . Согласно определению, H 1 является точкой пересечения данной плоскости α и прямой a , проведенной через точку М 1 (перпендикулярной плоскости). Т.е. необходимые нам координаты проекции точки М 1 – это координаты точки пересечения прямой a и плоскости α .
Таким образом, для нахождения координат проекции точки на плоскость необходимо:
Получить уравнение плоскости α (в случае, если оно не задано). Здесь вам поможет статья о видах уравнений плоскости;
Определить уравнение прямой a , проходящей через точку М 1 и перпендикулярной плоскости α (изучите тему об уравнении прямой, проходящей через заданную точку перпендикулярно к заданной плоскости);
Найти координаты точки пересечения прямой a и плоскости α (статья – нахождение координат точки пересечения плоскости и прямой). Полученные данные и будут являться нужными нам координатами проекции точки М 1 на плоскость α .
Рассмотрим теорию на практических примерах.
Пример 1
Определите координаты проекции точки М 1 (- 2 , 4 , 4) на плоскость 2 х – 3 y + z - 2 = 0 .
Решение
Как мы видим, уравнение плоскости нам задано, т.е. составлять его необходимости нет.
Запишем канонические уравнения прямой a , проходящей через точку М 1 и перпендикулярной заданной плоскости. В этих целях определим координаты направляющего вектора прямой a . Поскольку прямая а перпендикулярна заданной плоскости, то направляющий вектор прямой a – это нормальный вектор плоскости 2 х – 3 y + z - 2 = 0 . Таким образом, a → = (2 , - 3 , 1) – направляющий вектор прямой a .
Теперь составим канонические уравнения прямой в пространстве, проходящей через точку М 1 (- 2 , 4 , 4) и имеющей направляющий вектор a → = (2 , - 3 , 1) :
x + 2 2 = y - 4 - 3 = z - 4 1
Для нахождения искомых координат следующим шагом определим координаты точки пересечения прямой x + 2 2 = y - 4 - 3 = z - 4 1 и плоскости 2 х - 3 y + z - 2 = 0 . В этих целях переходим от канонических уравнений к уравнениям двух пересекающихся плоскостей:
x + 2 2 = y - 4 - 3 = z - 4 1 ⇔ - 3 · (x + 2) = 2 · (y - 4) 1 · (x + 2) = 2 · (z - 4) 1 · (y - 4) = - 3 · (z + 4) ⇔ 3 x + 2 y - 2 = 0 x - 2 z + 10 = 0
Составим систему уравнений:
3 x + 2 y - 2 = 0 x - 2 z + 10 = 0 2 x - 3 y + z - 2 = 0 ⇔ 3 x + 2 y = 2 x - 2 z = - 10 2 x - 3 y + z = 2
И решим ее, используя метод Крамера:
∆ = 3 2 0 1 0 - 2 2 - 3 1 = - 28 ∆ x = 2 2 0 - 10 0 - 2 2 - 3 1 = 0 ⇒ x = ∆ x ∆ = 0 - 28 = 0 ∆ y = 3 2 0 1 - 10 - 2 2 2 1 = - 28 ⇒ y = ∆ y ∆ = - 28 - 28 = 1 ∆ z = 3 2 2 1 0 - 10 2 - 3 2 = - 140 ⇒ z = ∆ z ∆ = - 140 - 28 = 5
Таким образом, искомые координаты заданной точки М 1 на заданную плоскость α будут: (0 , 1 , 5) .
Ответ: (0 , 1 , 5) .
Пример 2
В прямоугольной системе координат O x y z трехмерного пространства даны точки А (0 , 0 , 2) ; В (2 , - 1 , 0) ; С (4 , 1 , 1) и М 1 (-1, -2, 5). Необходимо найти координаты проекции М 1 на плоскость А В С
Решение
В первую очередь запишем уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки:
x - 0 y - 0 z - 0 2 - 0 - 1 - 0 0 - 2 4 - 0 1 - 0 1 - 2 = 0 ⇔ x y z - 2 2 - 1 - 2 4 1 - 1 = 0 ⇔ ⇔ 3 x - 6 y + 6 z - 12 = 0 ⇔ x - 2 y + 2 z - 4 = 0
Запишем параметрические уравнения прямой a , которая будет проходить через точку М 1 перпендикулярно плоскости А В С. Плоскость х – 2 y + 2 z – 4 = 0 имеет нормальный вектор с координатами (1 , - 2 , 2) , т.е. вектор a → = (1 , - 2 , 2) – направляющий вектор прямой a .
Теперь, имея координаты точки прямой М 1 и координаты направляющего вектора этой прямой, запишем параметрические уравнения прямой в пространстве:
Затем определим координаты точки пересечения плоскости х – 2 y + 2 z – 4 = 0 и прямой
x = - 1 + λ y = - 2 - 2 · λ z = 5 + 2 · λ
Для этого в уравнение плоскости подставим:
x = - 1 + λ , y = - 2 - 2 · λ , z = 5 + 2 · λ
Теперь по параметрическим уравнениям x = - 1 + λ y = - 2 - 2 · λ z = 5 + 2 · λ найдем значения переменных x , y и z при λ = - 1: x = - 1 + (- 1) y = - 2 - 2 · (- 1) z = 5 + 2 · (- 1) ⇔ x = - 2 y = 0 z = 3
Таким образом, проекция точки М 1 на плоскость А В С будет иметь координаты (- 2 , 0 , 3) .
Ответ: (- 2 , 0 , 3) .
Отдельно остановимся на вопросе нахождения координат проекции точки на координатные плоскости и плоскости, которые параллельны координатным плоскостям.
Пусть задана точки М 1 (x 1 , y 1 , z 1) и координатные плоскости O x y , О x z и O y z . Координатами проекции этой точки на данные плоскости будут соответственно: (x 1 , y 1 , 0) , (x 1 , 0 , z 1) и (0 , y 1 , z 1) . Рассмотрим также плоскости, параллельные заданным координатным плоскостям:
C z + D = 0 ⇔ z = - D C , B y + D = 0 ⇔ y = - D B
И проекциями заданной точки М 1 на эти плоскости будут точки с координатами x 1 , y 1 , - D C , x 1 , - D B , z 1 и - D A , y 1 , z 1 .
Продемонстрируем, как был получен этот результат.
В качестве примера определим проекцию точки М 1 (x 1 , y 1 , z 1) на плоскость A x + D = 0 . Остальные случаи – по аналогии.
Заданная плоскость параллельна координатной плоскости O y z и i → = (1 , 0 , 0) является ее нормальным вектором. Этот же вектор служит направляющим вектором прямой, перпендикулярной к плоскости O y z . Тогда параметрические уравнения прямой, проведенной через точку M 1 и перпендикулярной заданной плоскости, будут иметь вид:
x = x 1 + λ y = y 1 z = z 1
Найдем координаты точки пересечения этой прямой и заданной плоскости. Подставим сначала в уравнение А x + D = 0 равенства: x = x 1 + λ , y = y 1 , z = z 1 и получим: A · (x 1 + λ) + D = 0 ⇒ λ = - D A - x 1
Затем вычислим искомые координаты, используя параметрические уравнения прямой при λ = - D A - x 1:
x = x 1 + - D A - x 1 y = y 1 z = z 1 ⇔ x = - D A y = y 1 z = z 1
Т.е., проекцией точки М 1 (x 1 , y 1 , z 1) на плоскость будет являться точка с координатами - D A , y 1 , z 1 .
Пример 2
Необходимо определить координаты проекции точки М 1 (- 6 , 0 , 1 2) на координатную плоскость O x y и на плоскость 2 y - 3 = 0 .
Решение
Координатной плоскости O x y будет соответствовать неполное общее уравнение плоскости z = 0 . Проекция точки М 1 на плоскость z = 0 будет иметь координаты (- 6 , 0 , 0) .
Уравнение плоскости 2 y - 3 = 0 возможно записать как y = 3 2 2 . Теперь просто записать координаты проекции точки M 1 (- 6 , 0 , 1 2) на плоскость y = 3 2 2:
6 , 3 2 2 , 1 2
Ответ: (- 6 , 0 , 0) и - 6 , 3 2 2 , 1 2
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
