"Математика (базовый уровень)", Мордкович А.Г., Смирнова И.М.
Прямоугольная система координат позволяет описать положение любой точки в пространстве тремя числами. Для этого выбирают три взаимно перпендикулярные оси с общим началом и единичным отрезком на каждой. Координаты показывают, насколько далеко и в каком направлении расположена точка относительно координатных плоскостей. Зная координаты, можно определять положение точки, находить расстояния до плоскостей и вычислять расстояние между двумя точками.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Прямоугольная система координат в пространстве — это три взаимно перпендикулярные координатные оси с общим началом и выбранными положительными направлениями. На каждой оси задают единичный отрезок, чтобы измерять смещения. Такая система превращает положение точки в набор чисел и позволяет описывать геометрические объекты вычислениями.
Оси обозначают Ox, Oy и Oz, а плоскости, образованные парами осей, — Oxy, Oxz и Oyz. Например, плоскость Oxy содержит оси Ox и Oy и перпендикулярна оси Oz. Эти обозначения помогают понять, какие направления участвуют в задании координаты или положения точки.
Координаты точки — числа x, y и z, задающие её положение относительно координатных плоскостей; точку записывают как A(x; y; z). Порядок чисел соответствует осям Ox, Oy, Oz и менять его нельзя. Координаты нужны, чтобы однозначно указать точку и выполнять вычисления с её положением.
Октант — одна из восьми частей пространства, на которые координатные плоскости делят пространство. Каждая часть соответствует определённому сочетанию знаков координат. Это понятие позволяет быстро определить, в какой области пространства находится точка.
Сначала выбирают начало отсчёта O, затем положительные направления трёх осей и единичный отрезок на каждой из них. Без начала координат нельзя определить, откуда отсчитывать положение точки, а без направлений невозможно различить смещения в противоположные стороны. Единичные отрезки задают масштаб, поэтому координаты становятся числовыми величинами. После такого выбора одной и той же точке соответствует ровно одна тройка координат.
Координата x показывает направленное расстояние точки до плоскости Oyz, y — до Oxz, а z — до Oxy. Например, если перемещаться параллельно Ox, две координаты y и z не меняются, а меняется только x. Поэтому расстояние до плоскости Oyz связано именно с x; знак сообщает, с какой стороны плоскости расположена точка. Само расстояние неотрицательно и равно |x|.
Чтобы увидеть связь координат с проекциями, опустите из точки перпендикуляр на координатную плоскость: её координаты сохраняются, кроме координаты, отвечающей за перпендикулярное направление. Например, проекция A(x; y; z) на Oxy имеет координаты (x; y; 0). Поэтому точка лежит в Oxy тогда и только тогда, когда z = 0; для Oxz необходимо y = 0, для Oyz — x = 0. На оси Ox одновременно y = 0 и z = 0, поскольку ось является пересечением плоскостей Oxy и Oxz.
Три координатные плоскости делят пространство на восемь областей, потому что каждая координата может быть положительной или отрицательной. Сочетания знаков x, y и z указывают, по какую сторону каждой плоскости находится точка. Например, для A(−2; 3; 1) знаки координат — минус, плюс, плюс. Если хотя бы одна координата равна нулю, точка лежит на плоскости, а не внутри октанта.
Для расстояния между двумя точками сначала рассматривают их проекции на плоскость Oxy. По теореме Пифагора расстояние между проекциями равно √((x₂ − x₁)² + (y₂ − y₁)²). Отрезок между исходными точками и разность z-координат образуют с этим расстоянием прямоугольный треугольник. Повторное применение теоремы Пифагора даёт формулу √((x₂ − x₁)² + (y₂ − y₁)² + (z₂ − z₁)²).
| Положение точки | Условие на координаты | Геометрическое объяснение |
|---|---|---|
| Точка лежит в плоскости Oxy | z = 0 | Нет смещения перпендикулярно Oxy |
| Точка лежит в плоскости Oxz | y = 0 | Нет смещения перпендикулярно Oxz |
| Точка лежит в плоскости Oyz | x = 0 | Нет смещения перпендикулярно Oyz |
| Точка лежит на оси Ox | y = 0, z = 0 | Ось Ox — пересечение Oxy и Oxz |
| Точка лежит на оси Oy | x = 0, z = 0 | Ось Oy — пересечение Oxy и Oyz |
| Точка лежит на оси Oz | x = 0, y = 0 | Ось Oz — пересечение Oxz и Oyz |
Чтобы воспользоваться таблицей, найдите нужную плоскость или ось и проверьте указанные равенства. Для плоскости требуется одна нулевая координата, а для оси — две. Координата, которая не обязана быть нулевой, может принимать любое значение.
Задача 1. Дана точка A(−2; 3; 1). Определите, в каком октанте она находится, и укажите её расстояния до координатных плоскостей. Сначала определим положение по знакам, а затем используем соответствующие координаты для расстояний. Так мы отдельно учитываем направление и длину перпендикулярного отрезка.
Ответ: октант (−, +, +); расстояния до Oxy, Oxz и Oyz равны 1, 3 и 2 соответственно.
Задача 2. Найдите расстояние между A(1; −2; 3) и B(4; 2; 3). В формуле учитываются различия по всем трём направлениям. Здесь координаты z совпадают, но соответствующее слагаемое всё равно записываем: оно станет нулём.
Ответ: расстояние между точками равно 5.
Задача 3. Найдите точку C на оси Oz, равноудалённую от A(1; 2; 3) и B(3; −2; 1). Точка на оси Oz имеет вид C(0; 0; t), где t — неизвестная координата. Равенство расстояний удобно записать через квадраты: корни тогда можно не вычислять.
Ответ: C(0; 0; ¼). Подстановка этого значения в выражения для квадратов расстояний подтверждает, что они равны.
Порядок координат иногда меняют, записывая числа не по осям Ox, Oy, Oz. Обычно это происходит из-за невнимательного чтения записи, хотя перестановка чисел задаёт уже другую точку. Проверяйте, что первое число относится к x, второе к y, третье к z. Полезно подписывать координаты у осей перед подстановкой.
Координату принимают за расстояние и считают, что отрицательный результат невозможен. Координата является направленной величиной, поэтому может быть меньше нуля, а расстояние всегда неотрицательно. Например, при x = −2 расстояние до Oyz равно 2, а не −2. Для проверки расстояния используйте модуль соответствующей координаты.
Иногда полагают, что принадлежность плоскости означает равенство координаты единице, или вообще не проверяют, какая именно координата должна быть нулевой. Путают условие «нет смещения от плоскости» с числовым значением единицы. У плоскости Oxy должно быть z = 0, у Oxz — y = 0, у Oyz — x = 0. Сверяйте плоскость с перпендикулярной ей осью.
В формуле расстояния могут забыть квадрат разности или одно из трёх слагаемых. Ошибка возникает, когда формулу вспоминают как привычную плоскую, не учитывая третье направление. Перед вычислением выпишите разности x, y и z отдельно и возведите каждую в квадрат. Если две точки отличаются лишь по одной координате, результат должен совпадать с модулем этой разности.
Для работы с пространственными координатами нужны координатная прямая, прямоугольная система координат на плоскости и теорема Пифагора. Координатная прямая помогает понимать знаковые смещения, а теорема Пифагора лежит в основе формулы расстояния. Позже координаты будут использоваться при изучении векторов и уравнений прямой и плоскости. Они также помогают решать задачи на расстояния и сферы, где важно задавать положение точек и сравнивать их удалённость.
Почему у точки в пространстве три координаты?
Положение точки нужно задать в трёх независимых направлениях: вдоль осей Ox, Oy и Oz. Поэтому точке соответствует упорядоченная тройка чисел (x; y; z).
Как определить, в каком октанте находится точка?
Посмотрите на знаки её координат x, y и z. Каждая комбинация знаков задаёт один из восьми октантов; если координата равна нулю, точка лежит на координатной плоскости и не принадлежит октанту.
Как понять по координатам, что точка лежит на координатной плоскости?
У точки на плоскости Oxy координата z равна нулю, на Oxz — y = 0, на Oyz — x = 0. Нулевая координата означает, что точка находится в плоскости, образованной двумя другими осями.
Почему расстояние до координатной плоскости равно модулю одной координаты?
Соответствующая координата показывает направленное смещение точки от плоскости, а перпендикулярное расстояние не может быть отрицательным. Поэтому расстояние равно модулю координаты: например, до Oxy оно составляет |z|.
Как вывести формулу расстояния между двумя точками в пространстве?
Сначала по теореме Пифагора находят расстояние между проекциями точек на координатную плоскость. Затем применяют теорему Пифагора ещё раз, добавляя разность координат по третьей оси. Так получается корень из суммы квадратов разностей всех трёх координат.
§ 44. Прямоугольная система координат в пространстве