Płaszczyzna - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy pojęcia z dziedziny geometrii. Zapoznaj się również z: miejscowości o nazwie Płaszczyzna.

Dwie przecinające się płaszczyzny w przestrzeni trójwymiarowej

Płaszczyzna – jedno z podstawowych pojęć pierwotnych geometrii Euklidesa i geometrii absolutnej. W niektórych innych aksjomatyzacjach geometrii, na przykład w geometrii analitycznej, płaszczyzna nie jest pojęciem pierwotnym, lecz zbiorem punktów.

Półpłaszczyzna – każda z dwóch części płaszczyzny, na jakie dzieli ją leżąca na niej prosta, wraz z tą prostą. Prosta ta jest wspólnym brzegiem wspomnianych półpłaszczyzn.

Geometria analityczna – dział geometrii zajmujący się badaniem figur geometrycznych metodami analitycznymi (obliczeniowymi) i algebraicznymi. Złożone rozważania geometryczne zostają w geometrii analitycznej sprowadzone do rozwiązywania układów równań, które opisują badane figury. Przedmiotem badań geometrii analitycznej jest zasadniczo przestrzeń euklidesowa i własności jej podzbiorów, choć wiele wyników można uogólnić na dowolne, skończenie wymiarowe przestrzenie liniowe.

Płaszczyznę można obrazować jako kartę papieru, powierzchnię stołu, czy płaskie pole, wyobrażając sobie je rozciągające się "w nieskończoność".

Własności

Podstawowe własności płaszczyzn opisują aksjomaty geometrii absolutnej, inne są twierdzeniami, czyli wnioskami z aksjomatów. Uwaga: niektóre z podanych własności zachodzą wyłącznie w przestrzeni trójwymiarowej.

przez trzy niewspółliniowe punkty przestrzeni (tzn. nie leżące na jednej prostej) przechodzi jedna i tylko jedna płaszczyzna;

przez daną prostą i punkt nie leżący na niej przechodzi jedna i tylko jedna płaszczyzna;

przez dwie proste przecinające się w jednym punkcie przechodzi jedna i tylko jedna płaszczyzna;

prosta przechodząca przez dwa różne punkty płaszczyzny zawiera się w tej płaszczyźnie;

jeśli dwie płaszczyzny mają jeden punkt wspólny, to mają również drugi punkt wspólny;

płaszczyzna jest zbiorem punktów przestrzeni jednakowo oddalonych od dwu ustalonych punktów;

każdy punkt płaszczyzny należy do nieskończenie wielu prostych;

każda płaszczyzna dzieli przestrzeń na dwa obszary (których częścią wspólną jest ta właśnie płaszczyzna), takich że dowolny odcinek w przestrzeni ma wspólny punkt z daną płaszczyzną wtedy i tylko wtedy, gdy jego końce leża w różnych obszarach; obszary te nazywamy półprzestrzeniami – płaszczyzna jest brzegiem każdego z tych obszarów;

każda prosta zawarta w płaszczyźnie dzieli ją na dwie części, takich że dowolny odcinek w tej płaszczyżnie ma wspólny punkt z daną prostą wtedy i tylko wtedy, gdy jego końce leża w różnych częściach; części te nazywane półpłaszczyznami; dana prosta jest brzegiem każdej z dwu półpłaszczyzn;

względem danej płaszczyzny prosta w przestrzeni znajduje się w jednej i tylko jednej z takich trzech pozycji:

nie ma punktów wspólnych z daną płaszczyzną – nazywamy ją wtedy równoległą do płaszczyzny;

ma jeden punkt wspólny;

jest zawarta w tej płaszczyźnie.

Płaszczyzna euklidesowa

Jeżeli do listy wyżej wymienionych własności dodamy następujący aksjomat (tzw. V pewnik Euklidesa):

Aksjomat (postulat, pewnik; gr. αξιωμα aksíoma – godność, pewność, oczywistość) – jedno z podstawowych pojęć logiki matematycznej. Od czasów Euklidesa uznawano, że aksjomaty to zdania przyjmowane za prawdziwe, których nie dowodzi się w obrębie danej teorii matematycznej. We współczesnej matematyce definicja aksjomatu jest nieco inna:

Oś współrzędnych - oś liczbowa wykorzystywana do budowy układu współrzędnych, pozwalająca na jednoznaczne określenie położenia punktu przez określenie jego współrzędnych.

przez dowolny punkt płaszczyzny, nie należący do danej prostej leżącej na tej płaszczyźnie, można poprowadzić tylko jedną prostą do niej równoległą,

to otrzymamy pojęcie płaszczyzny euklidesowej. Z tym właśnie pojęciem zaznajamiamy się w szkole.

Opis w przestrzeni $\Bbb R^3$

$\Bbb R^3$ jest modelem dla geometrii euklidesowej i poniższy opis dotyczy oczywiście płaszczyzny euklidesowej.

Wektor normalny jest to wektor prostopadły do płaszczyzny lub, w wypadku innych powierzchni, prostopadły do płaszczyzny stycznej do powierzchni w danym punkcie. Pojęcie to używane jest w matematyce, fizyce, biologii molekularnej, grafice 3D.

Euklides z Aleksandrii (gr. Εὐκλείδης, Eukleides, ur. ok. 365 r. p.n.e., zm. ok. 300 r. p.n.e.) – matematyk grecki pochodzący z Aten, przez większość życia działający w Aleksandrii.

Równanie ogólne

W przestrzeni euklidesowej $\Bbb R^3$ płaszczyzna jest zbiorem punktów, których współrzędne spełniają w danym kartezjańskim układzie współrzędnych równanie: $Ax+By+Cz+D=0,\;$

przy czym liczby $A,\ B,\ C\,$ nie mogą być jednocześnie równe zeru.

Jest to tak zwane równanie ogólne płaszczyzny. Wektor $[A,B,C]\,$ jest wektorem normalnym prostopadłym do tej płaszczyzny.

Równanie normalne

Równanie normalne płaszczyzny, to równanie postaci:

Pojęcie pierwotne – obiekt w teorii sformalizowanej, o którym mówi ona w swych aksjomatach, konstruując wypowiedzi (twierdzenia) zgodnie z przyjętymi w tej teorii regułami wnioskowania. Pojęcia pierwotnego nie definiuje się językiem teorii, tylko podaje się definicję znaczeniową; przez podanie informacji (lub wymagań) o relacjach, w których występuje.

Układ współrzędnych kartezjańskich (prostokątny) – prostoliniowy układ współrzędnych o parach prostopadłych osi. Nazwa pojęcia pochodzi od łacińskiego nazwiska francuskiego matematyka i filozofa Kartezjusza (wł. René Descartes), który wprowadził te idee w 1637 w traktacie La Géométrie.

$\alpha x + \beta y + \gamma z + \delta = 0,\;$

gdzie $\alpha^2 + \beta^2 + \gamma^2 = 1.\;$ Liczby $\alpha,\ \beta,\ \gamma\;$ interpretujemy jako cosinusy kierunkowe prostej prostopadłej do płaszczyzny. Przejście z postaci ogólnej do normalnej dają wzory: $\alpha = \frac{A}{N},\quad \beta = \frac{B}{N},\quad \gamma = \frac{C}{N},\quad \delta = \frac{D}{N},$

w których współczynnik normalizujący $N\;$ odpowiada normie (długości) wektora $[A, B, C]:\;$ $N=\sqrt{A^2+B^2+C^2}.$

Równanie odcinkowe

Do opisu płaszczyzny można też użyć równania odcinkowego: $\frac{x}{a}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1.$

Ma ono tę zaletę, że od razu daje punkty przecięcia płaszczyzny z osiami współrzędnych układu: są to punkty $(a, 0, 0),\ (0, b, 0),\ (0, 0, c).\;$

Zbiór (niegdyś mnogość, wielość) – jedno z fundamentalnych pojęć współczesnej matematyki, w teorii mnogości (teorii zbiorów) przyjmowane jako pojęcie pierwotne. Intuicyjnie: kolekcja, zestaw niepowtarzających się obiektów bez wyróżnionej kolejności nazywanych elementami.

Przestrzeń – zbiór, w którym określone są rozmaite relacje i działania pomiędzy jego elementami. Synonim pojęcia struktury matematycznej używany dla oddania pewnych intuicji matematycznych oraz w celu skrócenia wypowiedzi.

Ma również istotną wadę: nie daje się w ten sposób przedstawić żadnej płaszczyzny przechodzącej przez początek układu współrzędnych (wówczas wszystkie mianowniki musiałyby być równe zeru, $a=b=c=0\;$ ) ani też żadnej płaszczyzny równoległej do którejkolwiek osi (wówczas odpowiedniemu współczynnikowi lub parze współczynników należałoby przypisać wartość nieskończoną, $\infty$ ).

Odcinek – w geometrii część prostej zawarta pomiędzy dwoma jej punktami z tymi punktami włącznie. Odcinek w całości zawiera się wewnątrz tej prostej.

Geometria euklidesowa – klasyczna odmiana geometrii opisana po raz pierwszy przez Euklidesa w dziele Elementy (z III w. p.n.e.). Zebrał on całą ówczesną wiedzę matematyczną znaną Grekom, dziś jego dzieło przedstawia się jako pierwszą znaną aksjomatyzację w historii matematyki. Pierwotnie uprawiano ją jedynie na płaszczyźnie i w przestrzeni trójwymiarowej wiążąc ją jednocześnie ze światem fizycznym, który miała opisywać, nie dopuszczając tym samym możliwości badania innych odmian geometrii.

Przejście z postaci ogólnej lub normalnej do odcinkowej dają wzory: $a = -\frac{D}{A} = -\frac{\delta}{\alpha},\ \ \ \ \ \ b = -\frac{D}{B} = -\frac{\delta}{\beta},\ \ \ \ \ \ c = -\frac{D}{C} = -\frac{\delta}{\gamma}.$

Płaszczyzna przechodząca przez trzy punkty

Ponieważ istnieje tylko jedna płaszczyzna w $\mathbb R^3$ przechodząca przez trzy niewspółliniowe punkty, dlatego można jednoznacznie wyznaczyć tę płaszczyznę. Jeżeli płaszczyzna przechodzi przez trzy punkty $P_1 = (x_1,y_1,z_1)\;$ , $P_2 = (x_2,y_2,z_2)\;$ i $P_3 = (x_3,y_3,z_3)\;$ , jest określona następującym równaniem:

Geometria absolutna jest geometrią opartą tylko na czterech pierwszych postulatach Euklidesa. Piąty postulat Euklidesa mówi, że przez każdy punkt przechodzi tylko jedna prosta równoległa do danej prostej. Pierwotnym pojęciem jest tu przestrzeń, w skład której wchodzą proste i płaszczyzny. Twierdzenia geometrii absolutnej są prawdziwe zarówno dla geomertii euklidesowej, jak i geometrii nieeuklidesowej.

Geometria (gr. γεωμετρία; geo – ziemia, metria – miara) – dziedzina matematyki badająca dla wybranych przekształceń ich niezmienniki, od najprostszych, takich jak odległość, pole powierzchni, miara kąta, przez bardziej zaawansowane, jak krzywizna, punkt stały, czy wymiar. W zależności od rodzaju przekształceń mówi się o różnych rodzajach geometrii.

$\begin{vmatrix} x - x_1 & y - y_1 & z - z_1 \\ x_2 - x_1 & y_2 - y_1& z_2 - z_1 \\ x_3 - x_1 & y_3 - y_1 & z_3 - z_1 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} x - x_1 & y - y_1 & z - z_1 \\ x - x_2 & y - y_2 & z - z_2 \\ x - x_3 & y - y_3 & z - z_3 \end{vmatrix} = 0$

lub $\begin{vmatrix} x & y & z & 1 \\ x_1 & y_1 & z_1 & 1 \\ x_2 & y_2 & z_2 & 1 \\ x_3 & y_3 & z_3 & 1 \end{vmatrix} = 0.$

Parametry równania ogólnego $Ax+By+Cz+D=0\;$ tej płaszczyzny, można wyznaczyć następująco:

$[A, B, C] = (\vec P_2 - \vec P_1) \times (\vec P_3 - \vec P_1) \;$

$D = - (A x_1 + B y_1 + C z_1) \;$

Odległość punktu od płaszczyzny

Odległość punktu P o współrzędnych $(x_P, y_P, z_P)\;$ od płaszczyzny m zadanej równaniem ogólnym $Ax+By+Cz+D=0\;$ lub normalnym $\alpha x + \beta y + \gamma z + \delta = 0\;$ przedstawia wzór: $d(P, m)=\frac{|Ax_P+By_P+Cz_P+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}} = |\alpha x_P + \beta y_P+\gamma z_P+\delta|.$

Zobacz też

Zobacz hasło płaszczyzna w Wikisłowniku

prosta

półpłaszczyzna

hiperpłaszczyzna