平面和射线交点

设平面 A x + B y + C z + D = 0 ( A 2 + B 2 + C 2 ≠ 0 ) Ax+By+Cz +D=0\left(A^2+B^2+C^2\neq 0\right) Ax+By+Cz+D=0(A2+B2+C2=0),

点 P ( P x , P y , P z ) P(P_x, P_y, P_z) P(Px,Py,Pz)

(1)求点 P P P到平面距离

(2)过点 P P P作直线,方向为 ( D x , D y , D z ) \left(D_x, D_y, D_z\right) (Dx,Dy,Dz),求平面与直线交点

(2)过点 P P P作射线,方向为 ( D x , D y , D z ) \left(D_x, D_y, D_z\right) (Dx,Dy,Dz),求平面与直线交点

解:

(1)这个高中有学过
∣ A P x + B P y + C P z + D ∣ A 2 + B 2 + C 2 \frac{\left|AP_x+BP_y+CP_z +D\right|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}} A2+B2+C2 ∣APx+BPy+CPz+D∣

(2)为了方便,平面法向量 n = ( A , B , C ) \mathbf{n} = \left(A,B,C\right) n=(A,B,C)

直线方向向量 d = ( D x , D y , D z ) \mathbf{d} = \left(D_x,D_y,D_z\right) d=(Dx,Dy,Dz)

直线上的点可以表示为 P + t d P+t\mathbf{d} P+td,其中 t ∈ R t\in \mathbb{R} t∈R

1.若 n ⋅ d ≠ 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}\neq 0 n⋅d=0,则直线和平面有且仅有1个交点

由于 P + t d P+t\mathbf{d} P+td在平面上,因此
n ⋅ ( P + t d ) + D = 0 ⇒ t = − D + n ⋅ P n ⋅ d \mathbf{n}\cdot\left(P+t\mathbf{d}\right) +D = 0\Rightarrow t= -\frac{D + \mathbf{n}\cdot P}{\mathbf{n}\cdot \mathbf{d}} n⋅(P+td)+D=0⇒t=−n⋅dD+n⋅P

进而交点坐标
P + t d = P − D + n ⋅ P n ⋅ d d = ( P x − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D x P y − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D y P z − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D z ) \begin{aligned} P+t\mathbf{d} & = P -\frac{D + \mathbf{n}\cdot P}{\mathbf{n}\cdot \mathbf{d}}\mathbf{d}\\ &=\begin{pmatrix}P_x - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_x\\ P_y - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_y\\ P_z - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_z\\ \end{pmatrix} \end{aligned} P+td=P−n⋅dD+n⋅Pd= Px−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)DxPy−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)DyPz−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)Dz

2.若 n ⋅ d = 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}= 0 n⋅d=0,且 n ⋅ P + d = 0 \mathbf{n}\cdot P +d = 0 n⋅P+d=0,则直线与平面重合

3.若 n ⋅ d = 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}= 0 n⋅d=0,且 n ⋅ P + d ≠ 0 \mathbf{n}\cdot P +d \neq 0 n⋅P+d=0,则直线与平面无交点

(3)与(2)类似

射线上的点可以表示为 P + t d P+t\mathbf{d} P+td,其中 t ∈ R + t\in \mathbb{R}_{+} t∈R+

依然可以得到 t = − D + n ⋅ P n ⋅ d t= -\frac{D + \mathbf{n}\cdot P}{\mathbf{n}\cdot \mathbf{d}} t=−n⋅dD+n⋅P

1.若 n ⋅ d ≠ 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}\neq 0 n⋅d=0且 t < 0 t<0 t<0则无交点

2.若 n ⋅ d ≠ 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}\neq 0 n⋅d=0且 t ≥ 0 t\ge0 t≥0,则只有一个交点
P + t d = P − D + n ⋅ P n ⋅ d d = ( P x − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D x P y − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D y P z − ( A P x + B P y + C P z + D ) A D x + B D y + C D z D z ) \begin{aligned} P+t\mathbf{d} & = P -\frac{D + \mathbf{n}\cdot P}{\mathbf{n}\cdot \mathbf{d}}\mathbf{d}\\ &=\begin{pmatrix}P_x - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_x\\ P_y - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_y\\ P_z - \frac{\left(AP_x+BP_y +CP_z+D\right)}{AD_x +BD_y+CD_z}D_z\\ \end{pmatrix} \end{aligned} P+td=P−n⋅dD+n⋅Pd= Px−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)DxPy−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)DyPz−ADx+BDy+CDz(APx+BPy+CPz+D)Dz

3.若 n ⋅ d = 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}= 0 n⋅d=0,且 n ⋅ P + d = 0 \mathbf{n}\cdot P +d = 0 n⋅P+d=0,则直线与平面重合

4.若 n ⋅ d = 0 \mathbf{n}\cdot \mathbf{d}= 0 n⋅d=0,且 n ⋅ P + d ≠ 0 \mathbf{n}\cdot P +d \neq 0 n⋅P+d=0,则直线与平面无交点

参考:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/404311333

相关推荐
全干engineer14 分钟前
web3-基于贝尔曼福特算法(Bellman-Ford )与 SMT 的 Web3 DeFi 套利策略研究
算法·金融·web3·去中心化·区块链·智能合约
Splendid36 分钟前
Geneformer:基于Transformer的基因表达预测深度学习模型
javascript·算法
愿所愿皆可成1 小时前
机器学习之聚类Kmeans算法
算法·机器学习·kmeans·聚类
幻奏岚音1 小时前
统计学(第8版)——假设检验学习笔记(考试用)
笔记·学习·算法
hie988941 小时前
基于matlab策略迭代和值迭代法的动态规划
算法·动态规划
Coovally AI模型快速验证1 小时前
SFTrack:面向警务无人机的自适应多目标跟踪算法——突破小尺度高速运动目标的追踪瓶颈
人工智能·神经网络·算法·yolo·计算机视觉·目标跟踪·无人机
Brduino脑机接口技术答疑1 小时前
脑机新手指南(七):OpenBCI_GUI:从环境搭建到数据可视化(上)
人工智能·算法·脑机接口·新手入门
RockyRich1 小时前
突然无法调用scikit-learn、xgboost
python·机器学习·scikit-learn
真的很上进1 小时前
2025最全TS手写题之partial/Omit/Pick/Exclude/Readonly/Required
java·前端·vue.js·python·算法·react·html5
linweidong1 小时前
GO 基础语法和数据类型面试题及参考答案(下)
算法·后端面试·泛型·go面试·go面经·go求职