В пространстве дана плоскость π и неподвижная точка A вне неё; опишите геометрическое место точек B на π, для которых угол между AB и нормалью к π равен заданному значению, и проанализируйте форму множества
Обозначим заданный угол φ\varphiφ и пусть HHH — проекция точки AAA на плоскость π\piπ, h=AHh=AHh=AH. Введём систему с осью нормали вдоль вектора нормали к плоскости; тогда A=(0,0,h)A=(0,0,h)A=(0,0,h), любая точка B∈πB\in\piB∈π имеет вид B=(x,y,0)B=(x,y,0)B=(x,y,0), и вектор AB=(x,y,−h)AB=(x,y,-h)AB=(x,y,−h). Условие на угол даёт cosφ=∣AB⋅n∣∣AB∣ ∣n∣=h∣AB∣,
\cos\varphi=\frac{|AB\cdot n|}{|AB|\,|n|}=\frac{h}{|AB|}, cosφ=∣AB∣∣n∣∣AB⋅n∣=∣AB∣h,
откуда ∣AB∣=hcosφ.
|AB|=\frac{h}{\cos\varphi}. ∣AB∣=cosφh.
Радиус проекции на плоскость (расстояние HBHBHB) равен HB=∣AB∣2−h2=htanφ.
HB=\sqrt{|AB|^2-h^2}=h\tan\varphi. HB=∣AB∣2−h2=htanφ. Итог: при 0<φ<π20<\varphi<\tfrac{\pi}{2}0<φ<2π искомое геометрическое место — окружность в плоскости π\piπ с центром в HHH и радиусом htanφh\tan\varphihtanφ. Краевые случаи: φ=0\varphi=0φ=0 даёт единственную точку B=HB=HB=H; при φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}φ=2π конечных точек нет (радиус стремится к бесконечности). (Если нормаль ориентирована, то для углов >π2>\tfrac{\pi}{2}>2π рассматривается симметричный случай относительно выбора направления нормали.)
cosφ=∣AB⋅n∣∣AB∣ ∣n∣=h∣AB∣, \cos\varphi=\frac{|AB\cdot n|}{|AB|\,|n|}=\frac{h}{|AB|},
cosφ=∣AB∣∣n∣∣AB⋅n∣ =∣AB∣h , откуда
∣AB∣=hcosφ. |AB|=\frac{h}{\cos\varphi}.
∣AB∣=cosφh . Радиус проекции на плоскость (расстояние HBHBHB) равен
HB=∣AB∣2−h2=htanφ. HB=\sqrt{|AB|^2-h^2}=h\tan\varphi.
HB=∣AB∣2−h2 =htanφ.
Итог: при 0<φ<π20<\varphi<\tfrac{\pi}{2}0<φ<2π искомое геометрическое место — окружность в плоскости π\piπ с центром в HHH и радиусом htanφh\tan\varphihtanφ. Краевые случаи: φ=0\varphi=0φ=0 даёт единственную точку B=HB=HB=H; при φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}φ=2π конечных точек нет (радиус стремится к бесконечности). (Если нормаль ориентирована, то для углов >π2>\tfrac{\pi}{2}>2π рассматривается симметричный случай относительно выбора направления нормали.)