附录 公式定理速查

一、向量

  • 模: $$|\boldsymbol a|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.$$
  • 单位化: $$\boldsymbol e_{\boldsymbol a}=\frac{\boldsymbol a}{|\boldsymbol a|}.$$
  • 标量积: $$\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b=|\boldsymbol a||\boldsymbol b|\cos\theta =x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2.$$
  • 夹角: $$\cos\theta=\frac{\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b}{|\boldsymbol a||\boldsymbol b|}.$$
  • 投影: $$\operatorname{proj}_{\boldsymbol b}\boldsymbol a=\frac{\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b}{|\boldsymbol b|}.$$
  • 向量积: $$\boldsymbol a\times\boldsymbol b= \begin{vmatrix} \boldsymbol i&\boldsymbol j&\boldsymbol k\ x_1&y_1&z_1\ x_2&y_2&z_2 \end{vmatrix}.$$
  • 混合积: $$[\boldsymbol a,\boldsymbol b,\boldsymbol c]= \begin{vmatrix} x_1&y_1&z_1\ x_2&y_2&z_2\ x_3&y_3&z_3 \end{vmatrix}.$$
  • 平行四边形面积: $$S=|\boldsymbol a\times\boldsymbol b|.$$
  • 三角形面积: $$S=\frac12|\boldsymbol a\times\boldsymbol b|.$$
  • 平行六面体体积: $$V=|[\boldsymbol a,\boldsymbol b,\boldsymbol c]|.$$
  • 四面体体积: $$V=\frac16|[\boldsymbol a,\boldsymbol b,\boldsymbol c]|.$$
  • 共线: $$\boldsymbol a\times\boldsymbol b=\boldsymbol0.$$
  • 共面: $$[\boldsymbol a,\boldsymbol b,\boldsymbol c]=0.$$
  • 垂直: $$\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b=0.$$
  • 方向余弦: $$\cos\alpha=\frac{x}{|\boldsymbol a|},\quad \cos\beta=\frac{y}{|\boldsymbol a|},\quad \cos\gamma=\frac{z}{|\boldsymbol a|},$$ $$\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1.$$
  • 拉格朗日恒等式: $$|\boldsymbol a\times\boldsymbol b|^2 =|\boldsymbol a|^2|\boldsymbol b|^2-(\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b)^2.$$
  • 二重向量积: $$\boldsymbol a\times(\boldsymbol b\times\boldsymbol c) =\boldsymbol b(\boldsymbol a\cdot\boldsymbol c)-\boldsymbol c(\boldsymbol a\cdot\boldsymbol b).$$

二、平面与直线

1. 平面

  • 点法式: $$A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0.$$
  • 一般式: $$Ax+By+Cz+D=0.$$
  • 截距式: $$\frac xa+\frac yb+\frac zc=1.$$
  • 点到平面距离: $$d=\frac{|Ax_0+By_0+Cz_0+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}.$$
  • 两平面夹角: $$\cos\theta=\frac{|A_1A_2+B_1B_2+C_1C_2|} {\sqrt{A_1^2+B_1^2+C_1^2}\sqrt{A_2^2+B_2^2+C_2^2}}.$$
  • 平行: $$\frac{A_1}{A_2}=\frac{B_1}{B_2}=\frac{C_1}{C_2}.$$
  • 垂直: $$A_1A_2+B_1B_2+C_1C_2=0.$$
  • 平行平面距离: $$d=\frac{|D_1-D_2|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}.$$

2. 空间直线

  • 参数式: $$x=x_0+lt,\quad y=y_0+mt,\quad z=z_0+nt.$$
  • 对称式: $$\frac{x-x_0}{l}=\frac{y-y_0}{m}=\frac{z-z_0}{n}.$$
  • 一般式: $$\begin{cases} A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0,\ A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0. \end{cases}$$
  • 方向向量: $$\boldsymbol d=(A_1,B_1,C_1)\times(A_2,B_2,C_2).$$
  • 两直线夹角: $$\cos\theta=\frac{|\boldsymbol d_1\cdot\boldsymbol d_2|}{|\boldsymbol d_1||\boldsymbol d_2|}.$$
  • 线面角: $$\sin\varphi=\frac{|\boldsymbol d\cdot\boldsymbol n|}{|\boldsymbol d||\boldsymbol n|}.$$
  • 点到直线距离: $$d=\frac{|\overrightarrow{P_0P}\times\boldsymbol d|}{|\boldsymbol d|}.$$
  • 异面直线距离: $$d=\frac{|[\boldsymbol d_1,\boldsymbol d_2,\overrightarrow{P_1P_2}]|} {|\boldsymbol d_1\times\boldsymbol d_2|}.$$

三、曲面

  • 球面: $$(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2=R^2.$$
  • 柱面(母线平行于 $z$ 轴): $$F(x,y)=0.$$
  • 锥面(顶点在原点): $$F\left(\frac xz,\frac yz\right)=0.$$
  • 绕 $z$ 轴旋转: $$F\left(\pm\sqrt{x^2+y^2},z\right)=0.$$
  • 柱坐标: $$x=r\cos\theta,\quad y=r\sin\theta,\quad z=z.$$
  • 球坐标: $$x=\rho\sin\varphi\cos\theta,\quad y=\rho\sin\varphi\sin\theta,\quad z=\rho\cos\varphi.$$

四、二次曲面

  • 椭球面: $$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1.$$
  • 单叶双曲面: $$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1.$$
  • 双叶双曲面: $$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=-1.$$
  • 椭圆抛物面: $$z=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}.$$
  • 双曲抛物面: $$z=\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}.$$
  • 二次锥面: $$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=0.$$
  • 椭圆柱面: $$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1.$$
  • 双曲柱面: $$\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1.$$
  • 抛物柱面: $$y^2=2px.$$

切平面

  • 椭球面: $$\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}+\frac{zz_0}{c^2}=1.$$
  • 单叶双曲面: $$\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}-\frac{zz_0}{c^2}=1.$$
  • 双叶双曲面: $$\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}-\frac{zz_0}{c^2}=-1.$$
  • 椭圆抛物面: $$z+z_0=2\left(\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}\right).$$
  • 双曲抛物面: $$z+z_0=2\left(\frac{xx_0}{a^2}-\frac{yy_0}{b^2}\right).$$
  • 二次锥面: $$\frac{xx_0}{a^2}+\frac{yy_0}{b^2}-\frac{zz_0}{c^2}=0.$$

五、二次曲线的一般理论

  • 一般方程: $$a_{11}x^2+2a_{12}xy+a_{22}y^2+2a_{13}x+2a_{23}y+a_{33}=0.$$
  • 不变量: $$I_1=a_{11}+a_{22},$$ $$I_2=a_{11}a_{22}-a_{12}^2,$$ $$I_3=\begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\ a_{12}&a_{22}&a_{23}\ a_{13}&a_{23}&a_{33} \end{vmatrix}.$$
  • 中心: $$\begin{cases} a_{11}x_0+a_{12}y_0+a_{13}=0,\ a_{12}x_0+a_{22}y_0+a_{23}=0. \end{cases}$$
  • 渐近方向: $$a_{11}x^2+2a_{12}xy+a_{22}y^2=0.$$
  • 直径: $$(a_{11}x+a_{12}y+a_{13})l+(a_{12}x+a_{22}y+a_{23})m=0.$$
  • 主方向: $$(A-\lambda I)\begin{pmatrix}l\m\end{pmatrix}=0.$$
  • 分类:
    • $I_2>0$:椭圆型;
    • $I_2<0$:双曲型;
    • $I_2=0$:抛物型;
    • $I_3=0$:退化。

六、二次曲面的一般理论

  • 一般方程: $$a_{11}x^2+a_{22}y^2+a_{33}z^2+2a_{12}xy+2a_{13}xz+2a_{23}yz +2a_{14}x+2a_{24}y+2a_{34}z+a_{44}=0.$$
  • 中心: $$A\begin{pmatrix}x_0\y_0\z_0\end{pmatrix}+\boldsymbol b=0.$$
  • 切平面: $$F_x(P_0)(x-x_0)+F_y(P_0)(y-y_0)+F_z(P_0)(z-z_0)=0.$$
  • 直径面: $$(a_{11}x+a_{12}y+a_{13}z+a_{14})l +(a_{12}x+a_{22}y+a_{23}z+a_{24})m +(a_{13}x+a_{23}y+a_{33}z+a_{34})n=0.$$
  • 渐近锥面: $$a_{11}X^2+a_{22}Y^2+a_{33}Z^2 +2a_{12}XY+2a_{13}XZ+2a_{23}YZ=0.$$
  • 主方向: $$(A-\lambda I)\begin{pmatrix}l\m\n\end{pmatrix}=0.$$

七、坐标变换与仿射变换

  • 平移: $$x=x'+x_0,\quad y=y'+y_0,\quad z=z'+z_0.$$
  • 平面旋转: $$\begin{cases} x=x'\cos\theta-y'\sin\theta,\ y=x'\sin\theta+y'\cos\theta. \end{cases}$$
  • 一般直角坐标变换: $$\boldsymbol x=A\boldsymbol x'+\boldsymbol b,\qquad A^{\mathrm T}A=I.$$
  • 仿射变换: $$\boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol b,\qquad \det A\ne0.$$
  • 面积伸缩: $$S'=|\det A|S.$$
  • 体积伸缩: $$V'=|\det A|V.$$
  • 仿射不变量:共线性、平行性、线段比、中点、重心坐标。
  • 非仿射不变量:长度、角度、垂直性。

八、射影几何初步

  • 齐次坐标: $$(x:y:z)=(\lambda x:\lambda y:\lambda z).$$
  • 无穷远直线: $$z=0.$$
  • 直线: $$ax+by+cz=0.$$
  • 两点确定直线: $$P\times Q.$$
  • 两直线交点: $$l\times m.$$
  • 射影变换: $$\boldsymbol x'\sim A\boldsymbol x,\qquad \det A\ne0.$$
  • 交比: $$(P_1,P_2;P_3,P_4) =\frac{(t_3-t_1)(t_4-t_2)}{(t_3-t_2)(t_4-t_1)}.$$
  • 调和比: $$(P_1,P_2;P_3,P_4)=-1.$$
  • 二次曲线: $$\boldsymbol x^{\mathrm T}A\boldsymbol x=0.$$
  • 椭圆、双曲线、抛物线与无穷远直线的交点分别为 $0$、$2$、$1$(二重)。
  • 在复射影平面中,所有非退化二次曲线射影等价。