¿Cómo define la ecuación ax + by + cz = d un plano?

Un plano en el espacio es un subconjunto P del espacio que satisface las siguientes tres condiciones.

  1. para cualquiera de los dos puntos en P , todos los demás puntos en la línea recta determinados por esos dos puntos también se encuentran en P
  2. existen tres puntos no colineales en P
  3. P no es todo el espacio

Las condiciones 2 y 3 están ahí para obtener la dimensión correcta. La condición 2 dice que la dimensión es al menos 2, y la condición 3 dice que no es 3.

Veamos solo la condición 1. Te dejaré las condiciones 2 y 3.

Deje que [math] (x_1, y_1, z_1) [/ math] y [math] (x_2, y_2, z_2) [/ math] sean dos puntos en P, es decir, ambos satisfacen la ecuación.

[matemáticas] ax_1 + por_1 + cz_1 = d [/ matemáticas]
[matemáticas] ax_2 + by_2 + cz_2 = d [/ matemáticas]

Debe conocer las coordenadas de los otros puntos en la línea determinados por esos dos puntos. * Son

[matemáticas] t (x_1, y_1, z_1) + (1-t) (x_2, y_2, z_2) [/ matemáticas]

para varios valores de [math] t. [/ math] Debe mostrar que ese punto también se encuentra en P , en otras palabras, también satisface la ecuación.

[matemáticas] a (tx_1 + (1-t) x_2) [/ matemáticas]
[matemáticas] + \; b (ty_1 + (1-t) y_2) [/ matemáticas]
[matemáticas] + \; c (tz_1 + (1-t) z_2) = d [/ matemáticas]

Puede deducir eso sumando [matemática] t [/ matemática] veces la primera ecuación a [matemática] 1-t [/ matemática] veces la segunda ecuación.

* Todo esto presupone que ya ha demostrado que tres puntos son colineales si el tercero es la “combinación t ” de los dos primeros. Hay otras caracterizaciones de colinealidad y conducirán a pruebas ligeramente diferentes.

3 puntos definen el plano.
Dejar
[matemáticas] P = (p1, p2, p3) [/ matemáticas] y
[matemáticas] Q = (q1, q2, q3) [/ matemáticas]
[matemática] R = (r1, r2, r3) [/ matemática] sean tres puntos fijos en el espacio. Considere el punto [matemático] S = (x, y, z) [/ matemático] moviéndose de tal manera que se encuentra en el plano definido por los puntos [matemático] P, Q [/ matemático] y [matemático] R [/ matemático]. Luego el triple producto escalar
[matemáticas] SP. (SQ × SR) = O [/ matemáticas]
[matemáticas] [SP SQ SR] = O [/ matemáticas]
LHS es un determinante que comprende vectores de fila
[matemática] x-p1, y-p2, z-p3 x-q1, y-q2, z-q3 [/ matemática] y [matemática] x-r1, y-r2, z-r3 [/ matemática].
Evaluarlo dará como resultado una ecuación de la forma
[matemáticas] ax + por + cz = d [/ matemáticas].

La ecuación puede reescribirse como [matemática] n \ cdot p = d [/ matemática] donde [matemática] p = (x, y, z) [/ matemática] y [matemática] n = (a, b, c) [ / math] es lo normal en el avión. Los puntos para los que se mantiene la ecuación son puntos cuya proyección en la normalidad es constante [matemática] d [/ matemática] ([matemática] d [/ matemática] también es la distancia desde el origen al plano). Producto puntual de lo normal y un punto es la proyección del punto en lo normal. En resumen, la ecuación define un plano definiendo el conjunto de puntos 3d que se proyectan en un solo punto de lo normal (que pasa por el origen).

Aquí hay algo para su comprensión intuitiva. Sabes que cualquier plano paralelo al plano XY se define estableciendo z = alguna constante, ¿verdad? Historia similar para planos paralelos a planos YZ y XZ.

Se puede ver que la ecuación [matemática] ax + por + cz = d [/ matemática] se cruza (si es que existe) con cualquiera de los planos paralelos a los planos XY, XZ o YZ a lo largo de una línea recta. ¿Qué forma aparte de un avión podría hacer eso?

Si está construyendo físicamente algo, podría ser preciso. De lo contrario, es un problema matemático