方法一:向量叉乘法(点法式)
步骤说明:
1. 确定两个向量
假设已知三点为 ( A(x_1, y_1, z_1) ), ( B(x_2, y_2, z_2) ), ( C(x_3, y_3, z_3) ),计算向量 ( overrightarrow{AB} = (x_2-x_1, y_2-y_1, z_2-z_1) ) 和 ( overrightarrow{AC} = (x_3-x_1, y_3-y_1, z_3-z_1) )。
2. 计算法向量
通过向量叉乘求平面的法向量 ( mathbf{n} = overrightarrow{AB}
imes overrightarrow{AC} ),分量公式为:
[
mathbf{n} = left( (y_2-y_1)(z_3-z_1)
]
原理:叉乘结果垂直于两个原始向量,即平面的法线方向。
3. 构建平面方程
使用点法式方程 ( A(x-x_1) + B(y-y_1) + C(z-z_1) = 0 ),其中 ( (A, B, C) ) 为法向量 ( mathbf{n} )。将任意一点(如点A)代入方程,化简为一般式 ( Ax + By + Cz + D = 0 ),其中 ( D = -(Ax_1 + By_1 + Cz_1) )。
方法二:代入一般式求解方程组
步骤说明:
1. 设定方程形式
平面的一般方程为 ( Ax + By + Cz + D = 0 ),其中 ( A, B, C, D ) 为待定系数。
2. 列出方程组
代入三个点的坐标,得到方程组:
[
begin{cases}
Ax_1 + By_1 + Cz_1 + D = 0
Ax_2 + By_2 + Cz_2 + D = 0
Ax_3 + By_3 + Cz_3 + D = 0
end{cases}
]
3. 消元求解
通过消元法或矩阵运算解出 ( A, B, C, D ) 的比例关系。通常可假设 ( D = 1 ) 简化计算(若 ( D
eq 0 )),最终方程需归一化处理。
方法三:行列式法
通过三点构建行列式形式的平面方程:
[
begin{vmatrix}
x & y & z & 1
x_1 & y_1 & z_1 & 1
x_2 & y_2 & z_2 & 1
x_3 & y_3 & z_3 & 1
end{vmatrix} = 0
]
展开行列式后整理为一般式,适用于编程实现。
特殊情形与验证
1. 截距式方程
若平面与坐标轴交于 ( (a, 0, 0) ), ( (0, b, 0) ), ( (0, 0, c) ),则方程为 ( frac{x}{a} + frac{y}{b} + frac{z}{c} = 1 )(需满足 ( D
eq 0 ))。
2. 共线性检验
若三点共线(向量 ( overrightarrow{AB} ) 与 ( overrightarrow{AC} ) 平行),则无法确定唯一平面,需重新选点。
示例
已知三点 ( A(1, 1, 1) ), ( B(2, 3, 4) ), ( C(5, 7, 6) ):
1. 计算向量 ( overrightarrow{AB} = (1, 2, 3) ), ( overrightarrow{AC} = (4, 6, 5) )。
2. 叉乘法向量 ( mathbf{n} = overrightarrow{AB}
imes overrightarrow{AC} = (-8, 7, -2) )。
3. 平面方程为 ( -8(x-1) + 7(y-1) -2(z-1) = 0 ),化简为 ( -8x + 7y