第一節 立體幾何的基本概念
立體幾何的平面

在平面幾何中,基本的幾何元素有直線和點;而在立體幾何中,除了直線和點之外,平面也是基本的元素。

在初中時,我們已知道兩點可確定一直線。同理,三個不共線的點則可確定一平面。更一般地,以下的情況均可確定一平面。

三個不共線的點即可確定一平面,即有唯一一個平面同時穿過這三點。

三個不共線的點可確定一平面。

給定一條直線\(\;\ell\;\)和一個不在該直線上的點\(\;P\;\),可確定一平面。

一條直線和一個不在該直線上的點可確定一平面。

給定兩條相交(但不相同)的直線\(\;\ell_1\;\)和\(\;\ell_2\),可確定一平面。

兩條相交的直線可確定一平面。

給定兩條(不相同的)平行線\(\;\ell_1\;\)和\(\;\ell_2\),可確定一平面。

兩條平行線可確定一平面。
兩個平面的相交

在平面幾何中,兩條直線要麼平行,要麼相交於一點。類似地,在立體幾何中,兩個平面的相交也有兩種情況。

  1. 兩平面平行:

    如上圖所示,平面\(\;\Pi_1\;\)和\(\;\Pi_2\;\)平行,它們之間沒有交點。
  1. 兩平面相交,這時相交的部分必定是一條直線,稱為該兩平面的相交線

    如上圖所示,\(AB\;\)是平面\(\;\Pi_1\;\)和\(\;\Pi_2\;\)的相交線,而\(\;O\;\)是相交線上的一點(你可以在上圖中移動\(\;O\;\)點)。在\(\;\Pi_1\;\)和\(\;\Pi_2\;\)上分別作直線\(\;OP\;\)和\(\;OQ\;\)垂直於相交線,則兩平面\(\Pi_1\;\)和\(\;\Pi_2\;\)的交角是\(\;OP\;\)和\(\;OQ\;\)之間所形成的銳角。在上圖中,\(\Pi_1\;\)和\(\;\Pi_2\;\)的交角是\(\;\angle POQ = \theta\)。
投影

一個平面的法線是一條垂直於該平面的直線。

如右圖所示,直線\(\;OA\;\)是平面\(\;\Pi\;\)的法線。它與\(\;\Pi\;\)上的任何直線都垂直,例如圖中的\(\;\ell_1\;\)和\(\;\ell_2\)。反過來說,若一直線與平面上的兩條非平行直線垂直,則它是該平面的法線。

對於任意一點\(\;A\;\)和平面\(\;\Pi\),我們可以找到一條(及唯一一條)穿過\(\;A\;\)而且垂直於\(\;\Pi\;\)的法線。該法線與\(\;\Pi\;\)相交於一點\(\;O\)。我們說這點\(\;O\;\)是點\(\;A\;\)在平面\(\;\Pi\;\)上的投影,而\(\;AO\;\)的長度則是點\(\;A\;\)與平面\(\;\Pi\;\)的距離

一個圖象的投影是它的各個點的投影之整體。在下圖中,你可嘗試移動在圖案上的\(\;A\;\)點畫出該圖案在\(\;\Pi\;\)上的投影。

\(A\;\)點在平面\(\;\Pi\;\)上的投影
投影的例子一
投影的例子二

注意 投影不一定和原來的圖象相似,譬如說,若直線是垂直於平面,則它在該平面上的投影只是一點,而非一條線。

直線與平面的相交

如果一條直線不在平面上,則它與該平面相交的情況只有兩種。

  1. 直線與平面沒有交點:

    如上圖所示,直線\(\;\ell\;\)與平面\(\;\Pi\;\)上的一條直線\(\;\ell'\;\)平行,而\(\;\ell\;\)與\(\;\Pi\;\)並無交點。
  1. 直線與平面相交,這時它們必定相交於一點:

    如上圖所示,直線\(\;\ell\;\)與平面\(\;\Pi\;\)的交點為\(\;P\)。取\(\;\ell\;\)上任意一點\(\;A\)(你可以把上圖中的\(\;A\;\)點在\(\;\ell\;\)上的一段任意移動),並作法線\(\;AO\),及\(\;AP\;\)在\(\;\Pi\;\)上的投影\(\;OP\)。直線\(\;\ell\;\)和平面\(\;\Pi\;\)的交角是\(AP\;\)和\(\;OP\;\)所形成的角\(\;\theta\)。注意這個交角必定為銳角。
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