Исследуйте задачу: при каких условиях на трёх плоскостях в пространстве их попарные пересечения образуют треугольник — опишите конфигурации и докажите утверждения
Короткий ответ: невозможно. Три плоскости в пространстве не могут иметь попарные пересечения, которые образуют ненулевой (невырожденный) треугольник. Доказательство (кратко). Пусть плоскости P1,P2,P3P_1,P_2,P_3P1,P2,P3 и обозначим попарные пересечения (если они существуют) через l12=P1∩P2,l13=P1∩P3,l23=P2∩P3.
l_{12}=P_1\cap P_2,\qquad l_{13}=P_1\cap P_3,\qquad l_{23}=P_2\cap P_3. l12=P1∩P2,l13=P1∩P3,l23=P2∩P3.
Заметим, что l12∩l13=(P1∩P2)∩(P1∩P3)=P1∩P2∩P3.
l_{12}\cap l_{13}=(P_1\cap P_2)\cap(P_1\cap P_3)=P_1\cap P_2\cap P_3. l12∩l13=(P1∩P2)∩(P1∩P3)=P1∩P2∩P3.
Аналогично любые две из линий l12,l13,l23l_{12},l_{13},l_{23}l12,l13,l23 пересекаются тогда и только тогда, когда непусто множество P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1∩P2∩P3, и в этом случае все три линии пересекаются в одной и той же точке (точке тройного пересечения плоскостей). Следствия: - Если P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1∩P2∩P3 — одна точка, то l12,l13,l23l_{12},l_{13},l_{23}l12,l13,l23 — три луча/прямые, объединённые в одну точку (конкуррентны) — не треугольник. - Если P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1∩P2∩P3 — прямая, то l12=l13=l23l_{12}=l_{13}=l_{23}l12=l13=l23 (все три пересечения совпадают) — не треугольник. - Если хотя бы одна пара плоскостей параллельна или совпадает, то некоторое попарное пересечение либо пусто, либо совпадает с плоскостью — треугольник тоже невозможен. Классификация по рангу (линейно-алгебраический способ). Пусть уравнения плоскостей заданы как ni⋅x=din_i\cdot x=d_ini⋅x=di для векторов нормалей nin_ini. Пусть матрица нормалей NNN имеет ранг: - rank N=3\mathrm{rank}\,N=3rankN=3: есть единственная точка P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1∩P2∩P3 (общая точка) — все три lijl_{ij}lij пересекаются в этой точке. - rank N=2\mathrm{rank}\,N=2rankN=2: нуль-пространство одномерно, возможен общий направляющий вектор (в случае совместности уравнений все три плоскости содержат одну общую прямую) — все lijl_{ij}lij совпадают; или нет общей прямой/точки — тогда некоторые попарные пересечения отсутствуют или параллельны. - rank N=1\mathrm{rank}\,N=1rankN=1: все плоскости параллельны (или совпадают) — попарные пересечения отсутствуют или совпадают с плоскостью. Вывод: никакая конфигурация трёх плоскостей в R3\mathbb{R}^3R3 не даёт трёх различных прямых, образующих стороны невырожденного треугольника; либо линии не все существуют, либо они совпадают, либо все пересекаются в одной точке.
Доказательство (кратко). Пусть плоскости P1,P2,P3P_1,P_2,P_3P1 ,P2 ,P3 и обозначим попарные пересечения (если они существуют) через
l12=P1∩P2,l13=P1∩P3,l23=P2∩P3. l_{12}=P_1\cap P_2,\qquad l_{13}=P_1\cap P_3,\qquad l_{23}=P_2\cap P_3.
l12 =P1 ∩P2 ,l13 =P1 ∩P3 ,l23 =P2 ∩P3 . Заметим, что
l12∩l13=(P1∩P2)∩(P1∩P3)=P1∩P2∩P3. l_{12}\cap l_{13}=(P_1\cap P_2)\cap(P_1\cap P_3)=P_1\cap P_2\cap P_3.
l12 ∩l13 =(P1 ∩P2 )∩(P1 ∩P3 )=P1 ∩P2 ∩P3 . Аналогично любые две из линий l12,l13,l23l_{12},l_{13},l_{23}l12 ,l13 ,l23 пересекаются тогда и только тогда, когда непусто множество P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1 ∩P2 ∩P3 , и в этом случае все три линии пересекаются в одной и той же точке (точке тройного пересечения плоскостей). Следствия:
- Если P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1 ∩P2 ∩P3 — одна точка, то l12,l13,l23l_{12},l_{13},l_{23}l12 ,l13 ,l23 — три луча/прямые, объединённые в одну точку (конкуррентны) — не треугольник.
- Если P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1 ∩P2 ∩P3 — прямая, то l12=l13=l23l_{12}=l_{13}=l_{23}l12 =l13 =l23 (все три пересечения совпадают) — не треугольник.
- Если хотя бы одна пара плоскостей параллельна или совпадает, то некоторое попарное пересечение либо пусто, либо совпадает с плоскостью — треугольник тоже невозможен.
Классификация по рангу (линейно-алгебраический способ). Пусть уравнения плоскостей заданы как ni⋅x=din_i\cdot x=d_ini ⋅x=di для векторов нормалей nin_ini . Пусть матрица нормалей NNN имеет ранг:
- rank N=3\mathrm{rank}\,N=3rankN=3: есть единственная точка P1∩P2∩P3P_1\cap P_2\cap P_3P1 ∩P2 ∩P3 (общая точка) — все три lijl_{ij}lij пересекаются в этой точке.
- rank N=2\mathrm{rank}\,N=2rankN=2: нуль-пространство одномерно, возможен общий направляющий вектор (в случае совместности уравнений все три плоскости содержат одну общую прямую) — все lijl_{ij}lij совпадают; или нет общей прямой/точки — тогда некоторые попарные пересечения отсутствуют или параллельны.
- rank N=1\mathrm{rank}\,N=1rankN=1: все плоскости параллельны (или совпадают) — попарные пересечения отсутствуют или совпадают с плоскостью.
Вывод: никакая конфигурация трёх плоскостей в R3\mathbb{R}^3R3 не даёт трёх различных прямых, образующих стороны невырожденного треугольника; либо линии не все существуют, либо они совпадают, либо все пересекаются в одной точке.