空间距离和角度可以通过投影转为平面量。使用下面的公式时,应区分射线夹角、较小线面角和指定的二面角。
三余弦关系
取平面为 z=0,射线 AO 的单位方向写成 (cosφcosθ,cosφsinθ,sinφ),其中 φ∈[−π/2,π/2] 是有符号仰角。令平面内射线 AC 沿 x 轴,则两射线夹角 γ 满足
cosγ=cosφcosθ.
这是两个单位方向的数量积。θ 是水平投影射线与 AC 的夹角,∣φ∣ 是线面角。垂直平面时水平投影为零,θ 不再有定义,应直接判断 γ=π/2。
与此不同,空间单位向量与三坐标轴正向的夹角为 α,β,γ 时,有 cos2α+cos2β+cos2γ=1;这是单位向量坐标的平方和。
三正弦关系
两平面交于 x 轴,以其中一个平面作 xy 平面。另一平面绕交线转过二面角 α∈[0,π]。其中一条射线与交线正向夹角为 β∈[0,π],其单位方向可写为
(cosβ,sinβcosα,sinβsinα).
它与 xy 平面的较小夹角 γ 满足 sinγ=sinαsinβ,因为第三坐标绝对值就是在单位法向量上的投影。换成有向角时应按方向处理符号。
由四面体体积求异面直线距离
在异面直线上分别取不同点 A,B 与 C,D,令 ∣AB∣=a,∣CD∣=b,两直线较小夹角为 θ∈(0,π/2],公垂线段长为 d。则
VABCD=61abdsinθ,d=absinθ6VABCD.
证明:取 AB 沿 x 轴,两直线的公垂方向沿 z 轴,可写 B−A=(a,0,0)、D−C=(bcosθ,bsinθ,0)、C−A=(u,v,d)。以两方向和平移向量形成的平行六面体体积为 absinθd;四面体体积为其 1/6。也可用底面三角形面积与高度逐步推得。
若两直线平行,分母为零且四点共面,必须另用平行线距离公式。
平面图形的正射影面积
设一个平面图形面积为 S,所在平面与投影平面的较小夹角为 θ∈[0,π/2],则其正射影面积为
S′=Scosθ.
如果采用的是某个指定二面角 φ∈[0,π],同一关系应写成 S′=S∣cosφ∣,因为面积非负。仅凭面积比只能确定较小平面夹角,不能区分一个二面角与其补角。
证明。 在原平面内选择两个互相垂直的单位方向:第一个平行两平面的交线,第二个垂直交线。投影后,第一方向的长度不变,第二方向的长度乘 cosθ,两个方向仍垂直。平面平行时任选正交方向也成立。
以这两个方向为坐标轴,任意三角形的两个边向量写成 (x1,y1),(x2,y2),原面积为 ∣x1y2−x2y1∣/2;投影后它们写成 (x1,y1cosθ),(x2,y2cosθ),面积恰为原面积乘 cosθ。多边形分割成三角形后面积相加,得到同一结论。θ=π/2 时投影落在一条直线上,面积为零。
这一证明不要求原三角形已有一条边平行于交线。求平面夹角时,若 S>0 且易于求出 S′,可以用
θ=arccosSS′.
例如原三角形面积为 6、投影面积为 3,则较小平面夹角为 60∘;若题目指定某个二面角,还要根据两半平面的位置确定取 60∘ 还是 120∘。
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