Задано пространство с евклидовой метрикой: даны три непараллельные плоскости, пересекающиеся по трем прямым; исследуйте условия существования точки, равноудалённой от всех трёх плоскостей, и постройте такую точку
Короткий ответ: точки, равноудалённые от трёх непараллельных плоскостей Π1, Π2, Π3, — это пересечение соответствующих биссектрисных плоскостей пар (например для пар (1,2) и (1,3)). В общем случае для подходящего выбора знаков таких точек бесконечно много (обычно прямая); отсутствие решений может возникнуть лишь в вырожденных ситуациях. Ниже — пояснение и явная конструкция. Обозначения и условие. Пусть уравнения плоскостей заданы в нормальной форме Πi: ni⋅x+ci=0,∥ni∥=1, i=1,2,3.
\Pi_i:\ \mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i=0,\qquad \|\mathbf n_i\|=1,\ i=1,2,3. Πi:ni⋅x+ci=0,∥ni∥=1,i=1,2,3.
Требуемая точка x\mathbf xx должна удовлетворять ∣n1⋅x+c1∣=∣n2⋅x+c2∣=∣n3⋅x+c3∣.
|\mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1|=|\mathbf n_2\cdot\mathbf x+c_2|=|\mathbf n_3\cdot\mathbf x+c_3|. ∣n1⋅x+c1∣=∣n2⋅x+c2∣=∣n3⋅x+c3∣. Биссектрисные плоскости. Для любой пары Πi,Πj\Pi_i,\Pi_jΠi,Πj множество точек с равными расстояниями к этим плоскостям есть объединение двух плоскостей (внутренняя и внешняя биссектриса), которые задаются равенствами с выбором знака: ni⋅x+ci=sij (nj⋅x+cj),sij∈{+1,−1}.
\mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i = s_{ij}\,(\mathbf n_j\cdot\mathbf x+c_j),\qquad s_{ij}\in\{+1,-1\}. ni⋅x+ci=sij(nj⋅x+cj),sij∈{+1,−1}.
Эти плоскости проходят через линию пересечения Πi∩Πj\Pi_i\cap\Pi_jΠi∩Πj. Алгебраическая конструкция. Выберите ориентацию норм и два знака s2,s3∈{±1}s_2,s_3\in\{\pm1\}s2,s3∈{±1} для равенств относительно Π1\Pi_1Π1: n1⋅x+c1=s2(n2⋅x+c2),n1⋅x+c1=s3(n3⋅x+c3).
\mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1 = s_2(\mathbf n_2\cdot\mathbf x+c_2), \qquad \mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1 = s_3(\mathbf n_3\cdot\mathbf x+c_3). n1⋅x+c1=s2(n2⋅x+c2),n1⋅x+c1=s3(n3⋅x+c3).
Переписав, получим две линейные уравнения (n1−s2n2)⋅x=s2c2−c1,(n1−s3n3)⋅x=s3c3−c1.
(\mathbf n_1-s_2\mathbf n_2)\cdot\mathbf x = s_2 c_2-c_1, \qquad (\mathbf n_1-s_3\mathbf n_3)\cdot\mathbf x = s_3 c_3-c_1. (n1−s2n2)⋅x=s2c2−c1,(n1−s3n3)⋅x=s3c3−c1.
Если векторные коэффициенты не параллельны, система задаёт прямую решений (пересечение двух плоскостей). Направление этой прямой равно v=(n1−s2n2)×(n1−s3n3).
\mathbf v = (\mathbf n_1-s_2\mathbf n_2)\times(\mathbf n_1-s_3\mathbf n_3). v=(n1−s2n2)×(n1−s3n3).
Найдите частное решение x0\mathbf x_0x0 двух плоских уравнений (например стандартным методом решения 2×3 системы или по формуле через векторное произведение), тогда вся прямая решений задаётся {x0+tv∣t∈R},
\{\mathbf x_0 + t\mathbf v\mid t\in\mathbb R\}, {x0+tv∣t∈R},
и любая её точка даёт ∣ni⋅x+ci∣|\mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i|∣ni⋅x+ci∣ одинаковые для всех iii. Геометрическая конструкция (чисто геометрически): построьте для пары (Π1,Π2) одну из биссектрисных плоскостей B12B_{12}B12 (через линию Π1∩Π2\Pi_1\cap\Pi_2Π1∩Π2 и делящую диэдральный угол), затем для пары (Π1,Π3) одну из биссектрис B13B_{13}B13. Их пересечение (обычно прямая) содержит искомые точки; достаточно взять любую точку на этой прямой. (Не надо дополнительно проверять пару (2,3), она автоматически соблюдается, если выполнены равенства с Π1\Pi_1Π1.) Условия существования и вырожденные случаи. Для некоторого выбора знаков s2,s3s_2,s_3s2,s3 описанная система либо имеет прямую решений, либо не имеет (если плоскости параллельны и несовместны), либо совпадающую плоскость (вырождение). Практически: обычно (в общей позиции) существуют решения (как прямая для некоторой комбинации знаков). Отсутствие решений во всех четырёх комбинациях знаков случается лишь при специальной симметрии норм и сдвигов cic_ici (вырожденный случай) и тогда ни одна точка не даёт одинаковых модулей расстояний (кроме тривиального случая, когда все три плоскости имеют общую точку — тогда эта точка даёт нули расстояний). Итог: алгоритм построения 1. Выписать нормы ni,ci\mathbf n_i,c_ini,ci. 2. Для каждой пары знаков s2,s3s_2,s_3s2,s3 решить линейную систему выше. 3. Если решение есть, взять любую точку на полученной прямой — это точка (или семейство точек) равноудалённая от всех трёх плоскостей. (Все уравнения в тексте — в форме KaTeX.)
Обозначения и условие. Пусть уравнения плоскостей заданы в нормальной форме
Πi: ni⋅x+ci=0,∥ni∥=1, i=1,2,3. \Pi_i:\ \mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i=0,\qquad \|\mathbf n_i\|=1,\ i=1,2,3.
Πi : ni ⋅x+ci =0,∥ni ∥=1, i=1,2,3. Требуемая точка x\mathbf xx должна удовлетворять
∣n1⋅x+c1∣=∣n2⋅x+c2∣=∣n3⋅x+c3∣. |\mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1|=|\mathbf n_2\cdot\mathbf x+c_2|=|\mathbf n_3\cdot\mathbf x+c_3|.
∣n1 ⋅x+c1 ∣=∣n2 ⋅x+c2 ∣=∣n3 ⋅x+c3 ∣.
Биссектрисные плоскости. Для любой пары Πi,Πj\Pi_i,\Pi_jΠi ,Πj множество точек с равными расстояниями к этим плоскостям есть объединение двух плоскостей (внутренняя и внешняя биссектриса), которые задаются равенствами с выбором знака:
ni⋅x+ci=sij (nj⋅x+cj),sij∈{+1,−1}. \mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i = s_{ij}\,(\mathbf n_j\cdot\mathbf x+c_j),\qquad s_{ij}\in\{+1,-1\}.
ni ⋅x+ci =sij (nj ⋅x+cj ),sij ∈{+1,−1}. Эти плоскости проходят через линию пересечения Πi∩Πj\Pi_i\cap\Pi_jΠi ∩Πj .
Алгебраическая конструкция. Выберите ориентацию норм и два знака s2,s3∈{±1}s_2,s_3\in\{\pm1\}s2 ,s3 ∈{±1} для равенств относительно Π1\Pi_1Π1 :
n1⋅x+c1=s2(n2⋅x+c2),n1⋅x+c1=s3(n3⋅x+c3). \mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1 = s_2(\mathbf n_2\cdot\mathbf x+c_2),
\qquad
\mathbf n_1\cdot\mathbf x+c_1 = s_3(\mathbf n_3\cdot\mathbf x+c_3).
n1 ⋅x+c1 =s2 (n2 ⋅x+c2 ),n1 ⋅x+c1 =s3 (n3 ⋅x+c3 ). Переписав, получим две линейные уравнения
(n1−s2n2)⋅x=s2c2−c1,(n1−s3n3)⋅x=s3c3−c1. (\mathbf n_1-s_2\mathbf n_2)\cdot\mathbf x = s_2 c_2-c_1,
\qquad
(\mathbf n_1-s_3\mathbf n_3)\cdot\mathbf x = s_3 c_3-c_1.
(n1 −s2 n2 )⋅x=s2 c2 −c1 ,(n1 −s3 n3 )⋅x=s3 c3 −c1 . Если векторные коэффициенты не параллельны, система задаёт прямую решений (пересечение двух плоскостей). Направление этой прямой равно
v=(n1−s2n2)×(n1−s3n3). \mathbf v = (\mathbf n_1-s_2\mathbf n_2)\times(\mathbf n_1-s_3\mathbf n_3).
v=(n1 −s2 n2 )×(n1 −s3 n3 ). Найдите частное решение x0\mathbf x_0x0 двух плоских уравнений (например стандартным методом решения 2×3 системы или по формуле через векторное произведение), тогда вся прямая решений задаётся
{x0+tv∣t∈R}, \{\mathbf x_0 + t\mathbf v\mid t\in\mathbb R\},
{x0 +tv∣t∈R}, и любая её точка даёт ∣ni⋅x+ci∣|\mathbf n_i\cdot\mathbf x+c_i|∣ni ⋅x+ci ∣ одинаковые для всех iii.
Геометрическая конструкция (чисто геометрически): построьте для пары (Π1,Π2) одну из биссектрисных плоскостей B12B_{12}B12 (через линию Π1∩Π2\Pi_1\cap\Pi_2Π1 ∩Π2 и делящую диэдральный угол), затем для пары (Π1,Π3) одну из биссектрис B13B_{13}B13 . Их пересечение (обычно прямая) содержит искомые точки; достаточно взять любую точку на этой прямой. (Не надо дополнительно проверять пару (2,3), она автоматически соблюдается, если выполнены равенства с Π1\Pi_1Π1 .)
Условия существования и вырожденные случаи. Для некоторого выбора знаков s2,s3s_2,s_3s2 ,s3 описанная система либо имеет прямую решений, либо не имеет (если плоскости параллельны и несовместны), либо совпадающую плоскость (вырождение). Практически: обычно (в общей позиции) существуют решения (как прямая для некоторой комбинации знаков). Отсутствие решений во всех четырёх комбинациях знаков случается лишь при специальной симметрии норм и сдвигов cic_ici (вырожденный случай) и тогда ни одна точка не даёт одинаковых модулей расстояний (кроме тривиального случая, когда все три плоскости имеют общую точку — тогда эта точка даёт нули расстояний).
Итог: алгоритм построения
1. Выписать нормы ni,ci\mathbf n_i,c_ini ,ci .
2. Для каждой пары знаков s2,s3s_2,s_3s2 ,s3 решить линейную систему выше.
3. Если решение есть, взять любую точку на полученной прямой — это точка (или семейство точек) равноудалённая от всех трёх плоскостей.
(Все уравнения в тексте — в форме KaTeX.)