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
wen__xvn1 小时前
每日一题洛谷P1914 小书童——凯撒密码c++
数据结构·c++·算法
lqqjuly2 小时前
人工智能驱动的自动驾驶:技术解析与发展趋势
人工智能·机器学习·自动驾驶
thinkMoreAndDoMore2 小时前
深度学习(2)-深度学习关键网络架构
人工智能·深度学习·机器学习
BUG 劝退师2 小时前
八大经典排序算法
数据结构·算法·排序算法
山海青风2 小时前
从零开始玩转TensorFlow:小明的机器学习故事 1
人工智能·机器学习·tensorflow
orion-orion2 小时前
学习理论:预测器-拒绝器多分类弃权学习
机器学习·统计学习·学习理论
B站计算机毕业设计超人2 小时前
计算机毕业设计hadoop+spark旅游景点推荐 旅游推荐系统 旅游可视化 旅游爬虫 景区客流量预测 旅游大数据 大数据毕业设计
大数据·hadoop·爬虫·深度学习·机器学习·数据可视化·推荐算法
m0_748240913 小时前
SpringMVC 请求参数接收
前端·javascript·算法
小林熬夜学编程3 小时前
【MySQL】第八弹---全面解析数据库表的增删改查操作:从创建到检索、排序与分页
linux·开发语言·数据库·mysql·算法
小小小白的编程日记3 小时前
List的基本功能(1)
数据结构·c++·算法·stl·list