Piani e rette
Per individuare un piano nello spazio possiamo assegnare:
- Un punto P0 di e un vettore v ortogonale ad ;
- Un punto P0 di e due vettori u e w paralleli ad ;
- Tre punti P0, P1, P2 di non allineati.
Nel caso a), sia P0 = (x0, y0, z0) e v = (a, b, c), se P = (x, y, z) è il generico punto di, il vettore (OP - OP0) è parallelo ad e quindi è ortogonale a v. Si ha perciò l'equazione vettoriale:
v . (OP - OP0) = 0
che, passando dai vettori alle componenti, diventa:
a(x - x0) - b(y - y0) + c(z - z0) = 0
da cui l'equazione cartesiana:
(1) : ax + by + cz + d = 0 dove d = -(ax0 + by0 + cz0)
Un piano si rappresenta quindi con un'equazione lineare in x, y, z e i coefficienti delle incognite sono le componenti di un vettore ortogonale ad . Se si moltiplica la (1) per un fattore non nullo, si ottiene un'equazione che rappresenta lo stesso piano, perciò l'equazione cartesiana di è determinata a meno di un fattore di proporzionalità.
Nel caso b) è facile ricondursi al caso a), basta osservare che il piano passante per un punto P0 e parallelo ai due vettori u e w è il piano per P0 ortogonale al vettore v = u w.
Nel caso c) si cerca il piano passante per i punti P0, P1, P2; basta osservare che è il piano che passa per uno dei punti, per esempio per P0 ed è parallelo ai vettori (OP1 - OP0) e (OP2 - OP0); perciò applicando il caso b), basta determinare il piano per P0 ortogonale al vettore v = (OP1 - OP0) (OP2 - OP0).
Parallelismo tra piani
I piani : ax + by + cz + d = 0 e ': a'x + b'y + c'z + d' = 0 sono paralleli se e solo se i vettori v = (a,b,c) e v' = (a',b',c') sono paralleli; i quali sono paralleli se e solo se esiste un coefficiente reale non nullo K tale che (a,b,c) = K(a',b',c'). Se invece (a,b,c,d) = K(a',b',c',d'), i due piani coincidono.
Rette
Per individuare una retta nello spazio e nello spazio possiamo assegnare:
- Un punto P0 della retta e un vettore v parallelo alla retta;
- Due piani non paralleli di cui la retta è intersezione;
- Due punti distinti della retta.
Nel caso a) siano P0 = (x0, y0, z0) e v = (l, m, n); un punto P(x,y,z) appartiene ad r se e solo se esiste t in R tale che
(1) (OP - OP0) = t v
(1) si dice equazione vettoriale della retta r, e v si dice vettore direttore di r e le componenti l, m, n di v si dicono parametri direttori di r. Da (1), passando alle componenti, si deducono le equazioni parametriche di r:
(2) x = x0 + lty = y0 + mtz = z0 + nt
da cui segue l'uguaglianza dei rapporti:
(x - x0)/l = (y - y0)/m = (z - z0)/n
che, a rigore, avrebbero senso solo se l != 0, m != 0, n != 0. Eguagliando ora due coppie di tali rapporti, si trovano le equazioni dei due piani, di cui r è intersezione; il sistema lineare:
(x - x0)/l = (y - y0)/m(x - x0)/l = (z - z0)/n
e la rappresentazione cartesiana di r.
Nel caso b), sono dati due piani non paralleli: ax + by + cz + d = 0 e a'x + b'y + c'z + d' = 0, che hanno come intersezione la retta r.
Le coordinate dei punti di r sono le soluzioni del sistema s:
ax + by + ez + d = 0
a'x + b'y + e'z + d' = 0 (3)
Per ottenere una rappresentazione parametrica di r, dobbiamo trovare una soluzione particolare (x0, y0, z0) del sistema (3) e un vettore v parallelo ad r; per fare cio' basta osservare che v = (l, m, n) deve essere ortogonale a entrambi i vettori n = (a, b, e) e n' = (a', b', e'), quindi si puo' scegliere v = n ∧ n' = (be' - b'e, a'e - ae', ab' - a'b).
Nel caso c) se vogliamo determinare la retta che passa per P0 (x0, y0, z0) e P1 (x1, y1, z1), possiamo ricorrere al caso a) tracciando la retta che passa per uno dei due punti, per esempio P0, parallela al vettore v = (OP1 - OP0). Si ottengono le equazioni parametriche:
x = x0 + t(x1 - x0)
y = y0 + t(y1 - y0)
z = z0 + t(z1 - z0) (4)
Quanto visto finora per le rette nello spazio puo' ripetersi per una retta nel piano; per ottenere una rappresentazione parametrica della retta r passante per il punto P0 e parallela al vettore v = (l, m) basta sopprimere la coordinata z della (2).
x = x0 + lt
y = y0 + mt
da cui, eliminando il parametro t, si ottiene una rappresentazione cartesiana della retta r data da un'unica equazione del tipo:
ax + by + e = 0
dove il vettore u = (a, b) e' perpendicolare al vettore v = (l, m).
Fasci di piani
Date le equazioni di due piani distinti : ax + by + ez + d = 0, ' : a'x + b'y + e'z + d' = 0, diciamo fascio di piani individuato da e' l'insieme di tutti i piani individuati da un'equazione del tipo:
(5) (ax + by + cz + d) + (a'x + b'y + c'z + d') = 0
al variare di , R.
Osserviamo che la (5) per ogni coppia di valori (, ) (0, 0) è un'equazione lineare in x, y, z, perciò rappresenta un piano proprio. Distinguiamo due casi:
- Se i piani e ' si intersecano secondo una retta r, ogni piano del fascio passa per la retta r, viceversa ogni piano passante per r si può individuare con un'equazione di tipo (5), in questo caso si parla di fascio proprio di piani con asse la retta r.
- Se i piani e ' sono paralleli, ogni piano del fascio è parallelo ad e ' e, viceversa, ogni piano parallelo ad e ' appartiene al fascio r, in questo caso si parla di fascio improprio di piani rappresentati da un'equazione del tipo: ax + by + cz + k = 0.
Distanza tra due punti
Dati due punti P(x, y, z) e P'(x', y', z'), la distanza di P da P' è il modulo del vettore (OP - OP') ossia:
d(P, P') = √((x - x')2 + (y - y')2 + (z - z')2)
Distanza di un punto da un piano
Dato un piano : ax + by + cz + d = 0 e un punto P0(x0, y0, z0), la loro distanza è la distanza di P0 dal punto H (proiezione ortogonale di P0 su :
d(P0, ) = d(P0, H) = |ax0 + by0 + cz0 + d| / √(a2 + b2 + c2)
Distanza di un punto da una retta nel piano
Data l'analogia tra l'equazione di una retta nel piano e quella di un piano nello spazio, con procedimento simile a al precedente si ottiene che la distanza di P0(x0, y0) da r: ax + by + c = 0 è:
d(P0, r) = d(P0, H) = |ax0 + by0 + c| / √(a2 + b2)
Distanza di un punto da una retta nello spazio
Dati la retta r e il punto P0, la distanza può essere determinata con un procedimento geometrico: basta determinare il piano passante per il punto P0 e ortogonale alla retta r e considerare il loro punto di intersezione H = r, si ha infatti d(P0, r) = d(P0, H).
Distanza tra piani paralleli
Per calcolare tale distanza, ci si può ricondurre al calcolo della distanza tra un punto e un piano: dati i piani paralleli:
: ax + by + cz + d = 0 e : a'x + b'y + c'z + d' = 0 si ha:
d(, ') = d(Q, )
dove Q è un punto qualsiasi del piano '. Ne segue:
d(, ') = |d - d'| / a2 + b2 + c2
Distanza tra rette sghembe
Date due rette sghembe r ed s esistono due punti (P1 su r e P2 su s) tali che la retta passante per P1 e P2 è ortogonale e incidente sia con r che con s; si definisce distanza tra rette sghembe la distanza tra P1 e P2. Per calcolare tale distanza ci si può ricondurre al calcolo della distanza tra un punto e un piano: sia il piano che contiene una delle due rette, per esempio s, ed è parallelo all'altra, quindi a r, allora:
d(r, s) = d(r, ) = d(R, )
dove R è un punto qualsiasi della retta r.