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空间向量、角与距离

基础更新于 2026-09-29

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建立空间直角坐标系后,数量积把角度和距离化成统一的计算。

线线角、线面角与正射影

方向向量为非零 u,v\mathbf u,\mathbf v 的两条直线,将其中一条平移至与另一条相交,再取不超过直角的夹角 θ\theta,有

cos⁡θ=∣u⋅v∣∣u∣ ∣v∣.\cos\theta=\frac{|\mathbf u\cdot\mathbf v|}{|\mathbf u|\,|\mathbf v|}.

这是向量夹角公式在直线无定向时的写法:更换一个方向向量会使向量夹角变为补角,而绝对值使直线夹角不变。异面直线不平行,故 θ∈(0,π/2]\theta\in(0,\pi/2];平行或重合直线的夹角为零。

线面角的定义与计算

设直线方向为 u≠0\mathbf u\ne0,平面法向量为 n≠0\mathbf n\ne0,记单位法向量 e=n/∣n∣\mathbf e=\mathbf n/|\mathbf n|。将方向分解为

u=u∥+u⊥,u⊥=(u⋅e)e,u∥=u−(u⋅e)e.\mathbf u=\mathbf u_\parallel+\mathbf u_\perp,\qquad \mathbf u_\perp=(\mathbf u\cdot\mathbf e)\mathbf e,\quad \mathbf u_\parallel=\mathbf u-(\mathbf u\cdot\mathbf e)\mathbf e.

两分量互相垂直;前者平行于平面,后者垂直于平面。斜线的正射影方向就是 u∥\mathbf u_\parallel。直线与射影直线的较小夹角称为线面角 α\alpha,由这个直角分解得

sin⁡α=∣u⊥∣∣u∣=∣u⋅n∣∣u∣ ∣n∣.\sin\alpha=\frac{|\mathbf u_\perp|}{|\mathbf u|} =\frac{|\mathbf u\cdot\mathbf n|}{|\mathbf u|\,|\mathbf n|}.

垂直于平面时射影缩为一点,按定义取 α=π/2\alpha=\pi/2;平行于平面或在平面内时取 α=0\alpha=0。公式涵盖这两种边界。

线面角也是该直线与平面内所有直线夹角中的最小值。任取平面内单位方向 v\mathbf v,有

∣u⋅v∣=∣u∥⋅v∣≤∣u∥∣.|\mathbf u\cdot\mathbf v|=|\mathbf u_\parallel\cdot\mathbf v|\le|\mathbf u_\parallel|.

所以对应夹角的余弦不大于 ∣u∥∣/∣u∣=cos⁡α|\mathbf u_\parallel|/|\mathbf u|=\cos\alpha,角度便不小于 α\alpha。斜线情形在 v\mathbf v 沿射影方向时取等。

点线距离与点面距离

点 PP 到过 QQ、方向为 u≠0\mathbf u\ne0 的直线的距离,是 QP→\overrightarrow{QP} 垂直于 u\mathbf u 的分量长度:

d(P,l)=∣QP→∣2−(QP→⋅u)2∣u∣2.d(P,l)=\sqrt{|\overrightarrow{QP}|^2- \frac{(\overrightarrow{QP}\cdot\mathbf u)^2}{|\mathbf u|^2}}.

根号内非负由柯西不等式保证;垂直分解及勾股定理给出该式。若投影参数有线段端点限制,算得的是到整条直线的距离,还须检查垂足是否在线段内。

点 PP 到平面的距离,取平面内任意点 QQ 后为

d(P,Π)=∣QP→⋅n∣∣n∣.d(P,\Pi)=\frac{|\overrightarrow{QP}\cdot\mathbf n|}{|\mathbf n|}.

证明:将位移分解成面内与法向两个分量,法向分量恰是垂线段;更换平面内的 QQ 只改变面内分量。特别地,平面 Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0、A2+B2+C2>0A^2+B^2+C^2>0 与点 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 的距离为

d=∣Ax0+By0+Cz0+D∣A2+B2+C2.d=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}.

线面平行时,沿直线移动不改变法向分量,因此线上各点到平面的距离相等;面面平行时同理。故这两种距离都可以转化为点面距离。

二面角的定义与三种平面角构造

二面角由公共棱 ll 及从它出发的两个指定半平面组成。在棱上一点 OO,分别于两个半平面内取垂直于 ll 的射线 OA,OBOA,OB,则 ∠AOB\angle AOB 是二面角的平面角。射线必须朝向指定半平面,不能只取任意两条无定向直线。

换一个棱上点作相同构造,两对射线分别平行且同向,夹角不变,所以定义与所选 OO 无关。平面角为 π/2\pi/2 时称直二面角,两个面互相垂直。

如何构造可计算的平面角

定义法。 在棱上选便于计算的一点,在两个面内分别作棱的垂线,再用勾股定理、余弦定理等求两条射线的夹角。等腰面中的底边中点常能同时给出两条垂线。

垂面法。 过棱上一点作垂直于棱的平面。该截平面与两个半平面的交射线都垂直于棱,其夹角就是所求平面角。此法把整个空间问题转为一个平面截形。

三垂线法。 在第一个面内取棱外点 PP,作 PH⊥PH\perp 第二个面,再在第二个面内作 HO⊥lHO\perp l,O∈lO\in l。因为 PH⊥lPH\perp l,由三垂线关系得 PO⊥lPO\perp l,故 OPOP 与第二个面内垂直于棱、指向指定半平面的射线构成平面角。若 HH 落在指定半平面的反侧,∠POH\angle POH 应取补角;若 H=OH=O,两面垂直,另在第二个半平面取垂棱射线即可。

用法向量时保留角的方向

两个整平面的较小夹角 φ∈[0,π/2]\varphi\in[0,\pi/2] 满足

cos⁡φ=∣n1⋅n2∣∣n1∣ ∣n2∣.\cos\varphi=\frac{|\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2|}{|\mathbf n_1|\,|\mathbf n_2|}.

原因是垂直公共棱的截平面内,两个法向量分别垂直于两条交线;同时转动两条方向 90∘90^\circ 保持它们的夹角,而任意法向选择可能反向。绝对值只确定较小夹角。指定二面角可能为 φ\varphi 或 π−φ\pi-\varphi,应由两个半平面的方向判定。

例

直线方向 (1,1,1)(1,1,1) 与平面 z=0z=0 的法向量 (0,0,1)(0,0,1) 给出 sin⁡α=1/3\sin\alpha=1/\sqrt3。点 (1,2,3)(1,2,3) 到平面 x+2y+2z=2x+2y+2z=2 的距离为 ∣1+4+6−2∣/3=3|1+4+6-2|/3=3。

易错点

线面角使用正弦,线线角使用余弦。法向量需与平面内两条不共线方向均垂直。

异面直线距离:解公垂线端点

设两条不平行直线为 X=P+tuX=P+t\boldsymbol u、Y=Q+svY=Q+s\boldsymbol v,方向向量非零。记 w=Q−P\boldsymbol w=Q-P,则公垂线段向量为 w+sv−tu\boldsymbol w+s\boldsymbol v-t\boldsymbol u。令它分别与 u,v\boldsymbol u,\boldsymbol v 的数量积为零,解关于 t,st,s 的两个一次方程,即得垂足。

这确实给最短距离:任何其他端点差等于此公垂向量加上 Δsv−Δtu\Delta s\boldsymbol v-\Delta t\boldsymbol u,两项垂直,模平方等于两个模平方之和,不能更小。不平行保证方程组的行列式不为零。

例如 P=(0,0,0)P=(0,0,0)、u=(1,0,0)\boldsymbol u=(1,0,0),Q=(1,1,1)Q=(1,1,1)、v=(0,1,0)\boldsymbol v=(0,1,0)。垂直条件得 t=1,s=−1t=1,s=-1,垂足为 (1,0,0)(1,0,0)、(1,0,1)(1,0,1),距离为 11。

若直线平行,改求一点到另一条直线的距离;若限定为线段,还要检查求出的参数是否位于线段范围,不在范围时需检查端点。

用一个坐标模型串起法向量、距离和夹角

取 A=(1,0,0),B=(0,2,0),C=(0,0,2)A=(1,0,0),B=(0,2,0),C=(0,0,2),则 AB→=(−1,2,0),AC→=(−1,0,2)\overrightarrow{AB}=(-1,2,0),\overrightarrow{AC}=(-1,0,2)。设法向量 n=(u,v,w)n=(u,v,w),由 −u+2v=0,−u+2w=0-u+2v=0,-u+2w=0 可取 n=(2,1,1)n=(2,1,1)。因此平面为 2x+y+z=22x+y+z=2。

原点到该平面的距离是 2/62/\sqrt6;xx 轴与该平面的夹角 θ\theta 满足 sin⁡θ=2/6\sin\theta=2/\sqrt6;该平面与 z=0z=0 的较小夹角 φ\varphi 满足 cos⁡φ=1/6\cos\varphi=1/\sqrt6。距离公式除以法向量长度,线面角使用正弦,面面较小夹角使用余弦,这三步来自不同的投影关系。

求法向量时不能随意指定一个本来必为零的坐标等于 11。先解齐次方程并保留非零解,再选择方便的倍数。

二面角与两个整平面的夹角

二面角由公共棱两侧指定的两个半平面决定,其平面角可为锐角、直角或钝角,通常取 [0,π][0,\pi];非退化且不共面时在 (0,π)(0,\pi)。两个整平面的夹角则通常选不超过直角的那个,取 [0,π/2][0,\pi/2]。

法向量任意改变一个方向,夹角就变为补角。因此

∣n1⋅n2∣∣n1∣∣n2∣\frac{|\mathbf n_1\cdot\mathbf n_2|}{|\mathbf n_1||\mathbf n_2|}

直接给的是两个整平面夹角的余弦。若题目指定一个二面角,还要根据两半平面的位置决定是否取补角。

例如二面角为 120∘120^\circ 时,两个整平面夹角为 60∘60^\circ。取绝对值后的法向量公式给 1/21/2,不能因此把指定二面角的余弦 −1/2-1/2 改成正数。可在垂直公共棱的截平面内画出两条射线核对方向。

关联阅读

进一步阅读:空间射影、三余弦与异面直线距离。

先修:空间垂直与射影 · 数量积、夹角与投影。

同主题:空间垂直与射影 · 几何体的面积、体积与等体积法。

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