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Geometria analitica nello spazio, equazioni differenziali e distribuzione di Poisson · Geometria analitica nello spazio

Rette e piani nello spazio

Un drone sale da una piazza di Bologna e si muove in linea retta. A ogni istante conosci la sua posizione: tre numeri, la longitudine, la latitudine e la quota. Quando toccherà il suolo? Quanto sarà lontano dal punto di partenza? Per rispondere servono le coordinate nello spazio e le equazioni di rette e piani. Sono la naturale estensione di quello che sai già sul piano cartesiano. Alla fine della pagina risolverai il problema del drone.

Punti e vettori nello spazio

Nello spazio si fissano tre assi perpendicolari tra loro, $x$, $y$ e $z$, che si incontrano nell'origine $O$. Ogni punto è individuato da una terna ordinata $P(x_P; y_P; z_P)$. Gli assi, presi a due a due, individuano i tre piani coordinati $xy$, $xz$ e $yz$.

Sistema di riferimento cartesiano nello spazio con due punti A e B e il segmento che li unisce z y x O A B AB

Dati due punti $A(x_A; y_A; z_A)$ e $B(x_B; y_B; z_B)$, il vettore che va da $A$ a $B$ ha come componenti le differenze delle coordinate:

$$\overrightarrow{AB} = (x_B - x_A;\ y_B - y_A;\ z_B - z_A).$$

Perché la formula della distanza? Applichi due volte il teorema di Pitagora: prima nel piano $xy$ per la diagonale di base, poi nel triangolo rettangolo verticale. La formula è la stessa del piano, con un termine in più.

Per lavorare con i vettori ti servono due operazioni. Siano $\vec u = (u_1; u_2; u_3)$ e $\vec w = (w_1; w_2; w_3)$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Sono dati i punti $A(1, 2, -1)$ e $B(4, -2, 11)$ nello spazio cartesiano. a) Calcola la distanza tra $A$ e $B$. b) Determina le coordinate del punto medio del segmento…

Sono dati i punti $A(1, 2, -1)$ e $B(4, -2, 11)$ nello spazio cartesiano.

  1. a) Calcola la distanza tra $A$ e $B$.
  1. b) Determina le coordinate del punto medio del segmento $AB$.
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L'equazione del piano

Nel piano una retta è determinata da un punto e da una direzione. Nello spazio un piano è determinato da un punto $P_0$ e da un vettore $\vec n$ perpendicolare ad esso, detto vettore normale. Un punto $P$ appartiene al piano se e solo se $\overrightarrow{P_0P}$ è perpendicolare a $\vec n$, cioè se il loro prodotto scalare è nullo.

Un piano con il vettore normale n uscente dal punto P0 e un punto generico P sul piano P₀ P n piano π

La condizione $\vec n \cdot \overrightarrow{P_0P} = 0$ con $\vec n = (a; b; c)$ e $P_0(x_0; y_0; z_0)$ diventa

$$a(x - x_0) + b(y - y_0) + c(z - z_0) = 0.$$

Sviluppando si ottiene l'equazione cartesiana.

Se invece sono dati tre punti non allineati $A$, $B$, $C$, il vettore normale si trova con il prodotto vettoriale: $\vec n = \overrightarrow{AB} \times \overrightarrow{AC}$. Poi si procede come sopra, partendo da $A$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Scrivi l'equazione cartesiana del piano passante per il punto $P(2, -1, 3)$ e perpendicolare al vettore $\vec{n} = (3, 1, -2)$.

Scrivi l'equazione cartesiana del piano passante per il punto $P(2, -1, 3)$ e perpendicolare al vettore $\vec{n} = (3, 1, -2)$.

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La retta nello spazio

Una retta nello spazio è determinata da un punto $P_0(x_0; y_0; z_0)$ e da un vettore direzione $\vec v = (l; m; n)$. Un punto $P$ è sulla retta se $\overrightarrow{P_0P}$ è parallelo a $\vec v$, cioè $\overrightarrow{P_0P} = t\,\vec v$ per un certo numero reale $t$.

Una retta con due punti A e B e il vettore direzione v parallelo alla retta A (t = 0) B (t = 1) v r

Eliminando il parametro $t$ si ottiene la forma cartesiana: la retta come intersezione di due piani,

$$r: \begin{cases} a_1x + b_1y + c_1z + d_1 = 0 \\ a_2x + b_2y + c_2z + d_2 = 0 \end{cases}$$

Il vettore direzione è allora perpendicolare a entrambe le normali, quindi $\vec v = \vec n_1 \times \vec n_2$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Scrivi le equazioni parametriche della retta passante per $A(1, 0, 2)$ e $B(3, -1, 5)$.

Scrivi le equazioni parametriche della retta passante per $A(1, 0, 2)$ e $B(3, -1, 5)$.

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Esercitati★★☆Da iniziare
Un drone parte dal punto $A(0, 0, 10)$ di una piazza di Bologna (coordinate in metri, $z$ è la quota) e si muove in linea retta con vettore velocità…

Un drone parte dal punto $A(0, 0, 10)$ di una piazza di Bologna (coordinate in metri, $z$ è la quota) e si muove in linea retta con vettore velocità $\vec{v} = (3, 4, -1)$ m/s.

  1. a) Scrivi la legge oraria del drone in forma parametrica.
  1. b) Il suolo ha equazione $z = 0$. Dopo quanti secondi il drone tocca il suolo e in quale punto?
  1. c) Quale distanza ha percorso fino a quel momento?
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Distanze e posizioni di retta e piano

Distanza punto–piano. Misura la lunghezza del segmento perpendicolare al piano.

Perché funziona? Prendi un punto $P_0 \in \pi$: la distanza è la lunghezza della proiezione di $\overrightarrow{P_0P}$ sulla direzione di $\vec n$, cioè $\dfrac{|\vec n \cdot \overrightarrow{P_0P}|}{|\vec n|}$. Sviluppando il prodotto scalare e usando $ax_0+by_0+cz_0=-d$ si ottiene la formula.

Retta e piano. Sostituisci le equazioni parametriche della retta nell'equazione del piano: ottieni un'equazione di primo grado in $t$.

Risultato in $t$ Posizione
una soluzione retta e piano incidenti in un punto
nessuna soluzione ($0 \cdot t = k \ne 0$) retta parallela al piano
infinite soluzioni ($0 \cdot t = 0$) retta contenuta nel piano

Il caso incidente si riconosce anche dal fatto che $\vec v \cdot \vec n \ne 0$. Se $\vec v \cdot \vec n = 0$, la retta è parallela al piano o contenuta in esso.

Esercitati★★☆Da iniziare
Sono dati il piano $\pi: 2x - y + 2z - 6 = 0$ e il punto $P(3, 1, 4)$. a) Calcola la distanza di $P$ dal piano $\pi$. b) Scrivi le equazioni parametriche della retta…

Sono dati il piano $\pi: 2x - y + 2z - 6 = 0$ e il punto $P(3, 1, 4)$.

  1. a) Calcola la distanza di $P$ dal piano $\pi$.
  1. b) Scrivi le equazioni parametriche della retta passante per $P$ e perpendicolare a $\pi$.
  1. c) Determina le coordinate della proiezione ortogonale di $P$ su $\pi$.
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Esercitati★★☆Da iniziare
Sono date la retta $r: \begin{cases} x = 1 + t \\ y = 2 - t \\ z = 3 + 2t \end{cases}$ e il piano $\pi: x + 2y - z + 1 = 0$. a) Stabilisci se $r$ e $\pi$ sono incidenti,…

Sono date la retta $r: \begin{cases} x = 1 + t \\ y = 2 - t \\ z = 3 + 2t \end{cases}$ e il piano $\pi: x + 2y - z + 1 = 0$.

  1. a) Stabilisci se $r$ e $\pi$ sono incidenti, paralleli o se $r$ è contenuta in $\pi$.
  1. b) Se sono incidenti, determina le coordinate del punto di intersezione.
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Rette sghembe, angoli e problemi di sintesi

Nel piano due rette sono incidenti o parallele. Nello spazio c'è una terza possibilità: le rette sghembe, che non sono parallele e non si incontrano mai.

Due rette sghembe r e s e un segmento d che le collega (in prospettiva, la minima distanza è perpendicolare a entrambe) r s d

Per distinguere i casi tra due rette $r$ (punto $P$, direzione $\vec v$) e $s$ (punto $Q$, direzione $\vec w$):

  1. Se $\vec v \times \vec w = \vec 0$, le rette sono parallele (o coincidenti).

  2. Altrimenti calcola $\vec n = \vec v \times \vec w$ e il prodotto scalare $\overrightarrow{PQ} \cdot \vec n$. Se vale $0$ le rette sono incidenti (stanno nello stesso piano); se è diverso da $0$ sono sghembe.

Angoli.

Tra Formula
due rette (direzioni $\vec v$, $\vec w$) $\cos\theta = \dfrac{\lvert\vec v\cdot\vec w\rvert}{\lvert\vec v\rvert\,\lvert\vec w\rvert}$
due piani (normali $\vec n_1$, $\vec n_2$) $\cos\theta = \dfrac{\lvert\vec n_1\cdot\vec n_2\rvert}{\lvert\vec n_1\rvert\,\lvert\vec n_2\rvert}$
retta e piano $\sin\varphi = \dfrac{\lvert\vec v\cdot\vec n\rvert}{\lvert\vec v\rvert\,\lvert\vec n\rvert}$

Nell'ultimo caso compare il seno: la retta forma con il piano lo stesso angolo che forma $\vec v$ con il piano, che è il complementare dell'angolo tra $\vec v$ e la normale.

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Sono date le rette $$r: \begin{cases} x = 1 + t \\ y = -t \\ z = 2t \end{cases} \qquad s: \begin{cases} x = 2u \\ y = 1 + u \\ z = 3 - u \end{cases}$$ a) Dimostra che…

Sono date le rette

$$r: \begin{cases} x = 1 + t \\ y = -t \\ z = 2t \end{cases} \qquad s: \begin{cases} x = 2u \\ y = 1 + u \\ z = 3 - u \end{cases}$$
  1. a) Dimostra che $r$ e $s$ sono sghembe.
  1. b) Determina l'equazione del piano passante per $r$ e parallelo a $s$.
  1. c) Calcola la distanza tra $r$ e $s$.
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Esercitati★★★Da iniziare
Determina il valore del parametro $k$ per cui i piani $\pi_1: x + ky - z = 1$ e $\pi_2: 2x - y + kz = 3$ sono perpendicolari. Per tale valore di $k$, scrivi le equazioni…

Determina il valore del parametro $k$ per cui i piani $\pi_1: x + ky - z = 1$ e $\pi_2: 2x - y + kz = 3$ sono perpendicolari. Per tale valore di $k$, scrivi le equazioni parametriche della retta intersezione dei due piani e calcola l'angolo che essa forma con il piano $\pi_3: z = 0$.

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Esercitati★★★Da iniziare
Sono dati i punti $A(1, 0, 0)$, $B(0, 2, 0)$ e $C(0, 0, 3)$. a) Scrivi l'equazione del piano $\pi$ passante per $A$, $B$, $C$. b) Calcola l'area del triangolo $ABC$ e il…

Sono dati i punti $A(1, 0, 0)$, $B(0, 2, 0)$ e $C(0, 0, 3)$.

  1. a) Scrivi l'equazione del piano $\pi$ passante per $A$, $B$, $C$.
  1. b) Calcola l'area del triangolo $ABC$ e il volume del tetraedro $OABC$, con $O$ origine.
  1. c) Usando i risultati precedenti, ricava la distanza di $O$ dal piano $\pi$ e verificala con la formula della distanza punto-piano.
Risolvi

In sintesi

Torna al drone di Bologna: la sua traiettoria è la retta $A + t\,\vec v$. Il suolo è il piano $z = 0$ e il punto di atterraggio è l'intersezione retta–piano.

  • Coordinate $P(x; y; z)$. $\overrightarrow{AB} = B - A$, distanza $= |\overrightarrow{AB}|$, punto medio $=$ media delle coordinate.

  • Prodotto scalare ($=0$: vettori perpendicolari) e prodotto vettoriale (vettore perpendicolare a entrambi, il suo modulo è l'area del parallelogramma).

  • Piano: $ax + by + cz + d = 0$, normale $(a;b;c)$. Per tre punti: $\vec n = \overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}$.

  • Retta: parametrica $P_0 + t\vec v$, oppure intersezione di due piani con $\vec v = \vec n_1 \times \vec n_2$.

  • Distanza punto–piano: $\dfrac{|ax_P+by_P+cz_P+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$. Retta–piano: sostituisci e risolvi in $t$. Rette sghembe: $\dfrac{|\overrightarrow{PQ}\cdot(\vec v\times\vec w)|}{|\vec v\times\vec w|}$.

  • Angoli: coseno tra rette e tra piani, seno tra retta e piano.

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