В пространстве заданы три попарно не пересекающиеся плоскости; найдите и охарактеризуйте геометрическое место точек, равноудалённых от всех трёх плоскостей
Коротко и по существу. Обозначим плоскости уравнениями Πi: ni⋅x=di\Pi_i:\; \mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}=d_iΠi:ni⋅x=di, i=1,2,3i=1,2,3i=1,2,3. Расстояние от точки x\mathbf{x}x до Πi\Pi_iΠi равно ∣ni⋅x−di∣∥ni∥\dfrac{|\mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}-d_i|}{\|\mathbf{n}_i\|}∥ni∥∣ni⋅x−di∣. Требуется множество точек, для которых эти три величины равны. 1) Все три плоскости попарно параллельны (то есть действительно «не пересекаются»). Тогда нормали совпадают n1∥n2∥n3\mathbf{n}_1\parallel\mathbf{n}_2\parallel\mathbf{n}_3n1∥n2∥n3 и условие сводится к одномерному: для t=n⋅xt=\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}t=n⋅x нужно ∣t−c1∣=∣t−c2∣=∣t−c3∣,
|t-c_1|=|t-c_2|=|t-c_3|, ∣t−c1∣=∣t−c2∣=∣t−c3∣,
где ci=di/∥n∥c_i=d_i/\|\mathbf{n}\|ci=di/∥n∥. Для трёх разных чисел cic_ici такое равенство не выполняется. Итого: множество пусто. 2) Ни одна пара не параллельна (три плоскости пересекаются в одной точке PPP). Для каждой пары (i,j)(i,j)(i,j) множество точек, равноудалённых от Πi\Pi_iΠi и Πj\Pi_jΠj, это две биссектрисные плоскости: ni⋅x−di∥ni∥=±nj⋅x−dj∥nj∥.
\frac{\mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}-d_i}{\|\mathbf{n}_i\|}=\pm\frac{\mathbf{n}_j\cdot\mathbf{x}-d_j}{\|\mathbf{n}_j\|}. ∥ni∥ni⋅x−di=±∥nj∥nj⋅x−dj.
Пересечение двух таких выбранных биссекторных плоскостей (для пар (1,2)(1,2)(1,2) и (1,3)(1,3)(1,3)) даёт прямую через общую точку P=Π1∩Π2∩Π3P=\Pi_1\cap\Pi_2\cap\Pi_3P=Π1∩Π2∩Π3. В результате множество точек, равноудалённых от всех трёх, — объединение до четырёх прямых (соответствующих четырём сочетаниям знаков) проходящих через PPP. В частных случаях некоторые из этих прямых могут совпадать или отсутствовать. 3) Смешанные случаи (одна пара параллельна, другая нет): пусть Π1∥Π2\Pi_1\parallel\Pi_2Π1∥Π2. Тогда множество равноудалённых от Π1\Pi_1Π1 и Π2\Pi_2Π2 — средняя плоскость n⋅x=d1+d22.
\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}=\tfrac{d_1+d_2}{2}. n⋅x=2d1+d2.
Пересечение этой средней плоскости с одной из биссектрис между Π1\Pi_1Π1 и Π3\Pi_3Π3 даёт прямую (или пусто, в зависимости от положений). Итого в этом случае множество — нуль, одна или две прямые (зависит от выбора знаков). Вывод: в общем положении (нет параллельных пар) геометрическое место — совокупность прямых, проходящих через общую точку пересечения трёх плоскостей (до 4 прямых); в случае трёх попарно параллельных плоскостей — пусто; в промежуточных случаях — пересечения средней плоскости параллельной пары с биссектрисами, обычно прямые или пусто.
Обозначим плоскости уравнениями Πi: ni⋅x=di\Pi_i:\; \mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}=d_iΠi :ni ⋅x=di , i=1,2,3i=1,2,3i=1,2,3. Расстояние от точки x\mathbf{x}x до Πi\Pi_iΠi равно ∣ni⋅x−di∣∥ni∥\dfrac{|\mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}-d_i|}{\|\mathbf{n}_i\|}∥ni ∥∣ni ⋅x−di ∣ . Требуется множество точек, для которых эти три величины равны.
1) Все три плоскости попарно параллельны (то есть действительно «не пересекаются»). Тогда нормали совпадают n1∥n2∥n3\mathbf{n}_1\parallel\mathbf{n}_2\parallel\mathbf{n}_3n1 ∥n2 ∥n3 и условие сводится к одномерному: для t=n⋅xt=\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}t=n⋅x нужно
∣t−c1∣=∣t−c2∣=∣t−c3∣, |t-c_1|=|t-c_2|=|t-c_3|,
∣t−c1 ∣=∣t−c2 ∣=∣t−c3 ∣, где ci=di/∥n∥c_i=d_i/\|\mathbf{n}\|ci =di /∥n∥. Для трёх разных чисел cic_ici такое равенство не выполняется. Итого: множество пусто.
2) Ни одна пара не параллельна (три плоскости пересекаются в одной точке PPP). Для каждой пары (i,j)(i,j)(i,j) множество точек, равноудалённых от Πi\Pi_iΠi и Πj\Pi_jΠj , это две биссектрисные плоскости:
ni⋅x−di∥ni∥=±nj⋅x−dj∥nj∥. \frac{\mathbf{n}_i\cdot\mathbf{x}-d_i}{\|\mathbf{n}_i\|}=\pm\frac{\mathbf{n}_j\cdot\mathbf{x}-d_j}{\|\mathbf{n}_j\|}.
∥ni ∥ni ⋅x−di =±∥nj ∥nj ⋅x−dj . Пересечение двух таких выбранных биссекторных плоскостей (для пар (1,2)(1,2)(1,2) и (1,3)(1,3)(1,3)) даёт прямую через общую точку P=Π1∩Π2∩Π3P=\Pi_1\cap\Pi_2\cap\Pi_3P=Π1 ∩Π2 ∩Π3 . В результате множество точек, равноудалённых от всех трёх, — объединение до четырёх прямых (соответствующих четырём сочетаниям знаков) проходящих через PPP. В частных случаях некоторые из этих прямых могут совпадать или отсутствовать.
3) Смешанные случаи (одна пара параллельна, другая нет): пусть Π1∥Π2\Pi_1\parallel\Pi_2Π1 ∥Π2 . Тогда множество равноудалённых от Π1\Pi_1Π1 и Π2\Pi_2Π2 — средняя плоскость
n⋅x=d1+d22. \mathbf{n}\cdot\mathbf{x}=\tfrac{d_1+d_2}{2}.
n⋅x=2d1 +d2 . Пересечение этой средней плоскости с одной из биссектрис между Π1\Pi_1Π1 и Π3\Pi_3Π3 даёт прямую (или пусто, в зависимости от положений). Итого в этом случае множество — нуль, одна или две прямые (зависит от выбора знаков).
Вывод: в общем положении (нет параллельных пар) геометрическое место — совокупность прямых, проходящих через общую точку пересечения трёх плоскостей (до 4 прямых); в случае трёх попарно параллельных плоскостей — пусто; в промежуточных случаях — пересечения средней плоскости параллельной пары с биссектрисами, обычно прямые или пусто.