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생활공학/대학기초수학

1-3 직선과 평면의 방정식

by Eric87 2020. 11. 18.
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3절 직선과 평면의 방정식

평면에서 한점 P0(x0,y0)P0(x0,y0) 을 지나고 직선의 기울기가 m인 직선의 방정식은

yy0xx0=my=m(xx0)+y0yy0xx0=my=m(xx0)+y0

으로 구할 수 있다.

직선의 방정식

공간에서의 직선의 방정식도 직선 위의 한 점과 직선의 방향을 알면 구할 수 있다. 3차원 공간에서의 방향은 벡터로 표현할 수 있으므로 직선과 평행한 벡터를 v=(a,b,c)v=(a,b,c) 라고 하자. 직선 위의 한 점 P0(x0,y0,z0)P0(x0,y0,z0) 을 자나고 벡터 v와 평행한 직선 위의 임의의 점을 P(x,y,z)P(x,y,z) 라고 하면 벡터 P0PP0P 는 v와 평행하므로

P0P=tv(1.5)P0P=tv(1.5)

인 실수 t가 존재한다.

OP=r,OP0=r0OP=r,OP0=r0

이라고 하면 식 (1.5)는 다음과 같이 쓸 수 있다.

rr0=tvr=r0+tv

이 식을 직선의 벡터방정식(vector equation)이라고 한다. 또한 식 (1.5)를 성분별로 나타내면

(xx0,yy0,zz0)=(ta,tb,tc)

이므로 직선의 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

x=x0+at,y=y0+bt,z=z0+ct,(<t<)(1.6)

이 식을 직선의 매개변수방정식(parametric equation)이라고 한다. 또한 매개변수방정식에서 매개변수 t를 소거하여

xx0a=yy0b=zz0c,(abc0)

로 나타낼 수도 있다. 이 방정식은 직선의 대칭방정식(symmetric equation)이라고 한다. 만약 a,b,c 중에서 0 이 있어도 매개방정식 (1.6)에서 매개변수를 소거하는 것이 가능하다.

직선의 방정식

꼬인 직선

평면에서 두 직선은 평행하지 않은 직선은 한 점에서 만난다. 그러나 공간에서의 두 직선은 평행하지 않아도 만나지 않는 경우가 생긴다. 이런 경우 두 직선은 꼬인 위치에 있다고 한다. 

평면의 벡터방정식

평면에서 직선의 방정식은 기울기와 한 점을 알면 구할 수가 있었다. 마찬가지로 공간에서 평면의 방정식은 평면의 방향과 한 점을 알면 구할 수 있다. 그러나 평면의 방향은 직선과는 달리 평면과 평행한 하나의 벡터로는 구할 수가 없으며 두 개의 벡터(서로 평행하지 않은), 또는 일직선 상에 있지 않은 세개의 점이 필요하다. 평행하지 않은 두 벡터 v1v2 와 평행이고 점 P0을 지나는 평면을 W 라고 하자. W의 임의의 점을 P라고 하고v1v2의 시점이 P0이되도록 놓으면 적당한 실수 t,s에 대하여 PP0tv1sv2 를 이웃하는 두 변으로 하는 평행사변형의 대각선이 되도록 할 수 있다.

평면 벡터

따라서

P0P=tv1+sv2(1.7)

으로 나타낼 수 있다. 여기서

OP=r,OP0=r0

이라고 하면 식(1.7) 은 다음과 같이 쓸 수 있다.

rr0=tv1+sv2r=r0+tv1+sv2

이 식을 평면의 벡터방정식(verctor equation)이라고 한다. 또한, v1=(a1,b1,c1),v2=(a2,b2,c2) 일 때, 식(1.7)을 성분별로 나타내면

(xx0,yy0,zz0)(ta1+sa2,tb1+sb2,tc1+sc2)

이므로 평면의 방정식을 다음과 같이 쓸 수 있다.

x=x0+ta1+sa2,y=y0+tb1+sb2,z=z0+tc1+sc2,(<t,s<)(1.8)

이 식을 평면의 매개변수방정식(parametric equation)이라고 한다.

평면의 방정식

법선 벡터를 이용한 평면의 방정식

평면과 평행인 두 벡터 대신 평면과 수직인 벡터를 안다면 역시 평면의 방정식을 구할 수 있다. 이때, 평면과 수직인 벡터를 평면의 법선벡터(normal vector)라고 한다. 이제 공간의 한 점 P0(x0,y0,z0) 을 지나고 법선벡터가 n=(a,b,c) 인 평면의 방정식을 구해 보자. 평면의 임의의 점을 P(x,y,z) 라고 하면

P0P=(xx0,yy0,zz0)

은 평면에 포함되는 벡터이고 따라서 n과 수직이다.

평면 벡터

그러므로 평면 위의 임의의 점 P(x,y,z) 에 대하여

nP0P=a(xx0)+b(yy0)+c(zz0)=0

이 성립한다. 이 식을 평면의 일반방정식(general equation)이라고 한다.

평면 방정식

두 평면의 위치

각각의 법선벡터가 평행한 두 평면은 평행하다(parallel)고 한다. 평행한 두 평면은 일치하거나 만나지 않는다. 평행하지 않은 두 평면은 직선에서 만난다. 평행하지 않은 두 평면의 각은 각 평면의 법선벡터들의 사잇각으로 정의한다.

두 평면의 사잇각

점과 평면 사이의 거리

이제 평면에서 한 점과 직선 사이의 거리를 구한 것과 같은 방법으로 평면과 한 점 사이의 거리를 구할 수 있다. 공간의 한 점 P0=(x0,y0,z0) 와 평면 ax+by+cz+d=0 사이의 거리 D를 구해 보기로 하자.

평면의 임의의 점 P1(x1,y1,z1)에 대하여

b=P1P0=(x0x1,y0y1,z0z1)

라고 하면 D=b|cosθ|가 된다. 따라서

D=b|cosθ|=b|nb|nb=|nb|n

이다.

평면과 점

nP1P0=a(x0x1)+b(y0y1)+c(z0z1)=ax0+by0+cz0(ax1+by1+cz1)

에서 P1(x1,y1,z1) 은 평면의 점이므로

ax1+by1+cz1+d=0(ax0+by0+cz0)=d

이고 n=a2+b2+c2 이므로

D=|nb|n=|ax0+by0+cz0+d|a2+b2+c2

이다.

점과 평면 사이 거리

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