В данной статье мы рассмотрим нормальное уравнение плоскости. Приведем примеры построения нормального уравнения плоскости по углу наклона нормального вектора плоскости от осей Ox, Oy, Oz и по расстоянию r от начала координат до плоскости. Представим метод приведения общего уравнения прямой к нормальному виду. Рассмотрим численные примеры.
Пусть в пространстве задана декартова прямоугольная система координат. Тогда нормальное уравнение плоскости Ω представляется следующей формулой:
| xcosα+ycosβ+zcosγ−r=0, | (1) |
где r− расстояние от начала координат до плоскости Ω, а α,β,γ− это углы между единичным вектором n, ортогональным плоскости Ω и координатными осьями Ox, Oy, Oz, соответственно (Рис.1). (Если r>0, то вектор n направлен в сторону плоскости Ω, если же плоскость проходит через начало координат, то направление вектора n выбирается произвольной).
Выведем формулу (1). Пусть в пространстве задана декартова прямоугольная система координат и плоскость Ω (Рис.1). Проведем через начало координат прямую Q, перпендикулярную плоскости Ω, и точку пересечения обозначим через R. На этой прямой выделим единичный вектор n, с направлением, совпадающим с вектором 
. (Если точки O и R совпадают, то направление n можно взять произвольным).
 |
Выразим уравнение плоскости Ω через следующие параметры: длину отрезка и углы наклона α, β, γ между вектором n и осьями Ox, Oy, Oz, соответственно.
Так как вектор n является единичным вектором, то его проекции на Ox, Oy, Oz будут иметь следующие координаты:
| n={cosα, cosβ, cosγ}. | (2) |
Обозначим через r расстояние от начала координат до точки R. Рассмотрим, теперь, точку M (x,y, z). Точка M лежит на плоскости Ω тогда и только тогда, когда проекция вектора 
на прямую R равна r, т.е.
 | (3) |
Скалярное произведение векторов n и имеет следующий вид:
 , | (4) |
где 
− обозначен скалярное произведение векторов n и , а | · |− норма (длина) вектора, α−угол между векторами n и .
Поскольку n единичный вектор, то (4) можно записать так:
 . | (5) |
Учитывая, что n={cosα, cosβ, cosγ}, 
, мы получим:
 . | (6) |
Тогда из уравнений (3), (5), (6) следует:
| xcosα+ycosβ+zcosγ=r, |
или
| xcosα+ycosβ+zcosγ−r=0. | (7) |
Мы получили нормальное уравнение плоскости Ω. Уравнение (7) (или (1)) называется также нормированным уравнением плоскости. Вектор n называется нормальным вектором плоскости.
Как было отмечено выше, число r в уравнении (1) показывает расстояние плоскости от начала координат. Поэтому, имея нормальное уравнение плоскости легко определить расстояние плоскости от начала координат. Для проверки, является ли данное уравнение плоскости уравнением в нормальном виде, нужно проверить длину нормального вектора этой плоскости и знак числа r, т.е. если |n|=1 и r>0, то данное уравнение является нормальным (нормированным) уравнением плоскости.
Пример 1. Задано следующее уравнение плоскости:
 . | (7) |
Определить, является ли уравнение (7) нормальным уравнением плоскости и если да, то определить расстояние данной плоскости от начала координат.
Решение. Нормальный вектор плоскости имеет следующий вид:
 |
Определим длину вектора n:
  |
Ответ: Длина вектора n равна 1, 
, следовательно уравнение (7) является нормальным уравнением плоскости, а 
− это расстояние плоскости от начала координат.
Пусть на плоскости задано уравнение плоскости в общем виде:
| Ax+By+Cz+D=0. | (8) |
Так как уравнения (1) и (8) должны определять одну и ту же прямую (Утрерждение 2 статьи "Общее уравнение плоскости"), то существует такое число t, что
| tA=cosα, tB=cosβ, tC=cosγ, tD=−r. | (9) |
Возвышая в квадрат первые три равенства в (9) и складывая их, получим:
| (tA)2+(tB)2+(tС)2=cos2α+cos2β+cos2γ=1. | (10) |
Упростим выражение и найдем t:
| t2A2+t2B2+t2C2=t2(A2+B2+C2)=1, |
 . | (11) |
Знаменатель в (11) отличен от нуля, т.к. хотя бы один из коэффициентов A, B, C не равен нулю (в противном случае (8) не представлял бы уравнение прямой).
Выясним, какой знак имеет t. Обратим внимание на четвертое равенство в (9). Так как r−это расстояние от начала координат до плоскости, то r≥0. Тогда произведение tD должна иметь отрицательный знак. Т.е. знак t в (11) должен быть противоположным знаку D.
Подставляя в (1) вместо cosα, cosβ, cosγ и −r значения из (9), получим tAx+tBy+tCz+tD=0. Т.е. для приведения общего уравенения плоскости к нормальному виду, нужно заданное уравнение умножить на множитель (11). Множитель (11) называется нормирующим множителем.
Пример 2. Задано общее уравнение плоскости
| 2x−3y+6z+4=0. | (12) |
Построить нормальное уравнение плоскости (12).
Решение. Из уравнения (12) можно записать: A=2, B=−3, C=6, D=4. Вычислим t из равенства (11):
  . |
Так как D>0, то знак t отрицательный:
 . |
Умножим уравнение (12) на t:
 . |
Ответ. Нормальное уравнение прямой (12) имеет следующий вид:
| . |
Отметим, что число 
является расстоянием от начала координат до прямой (12).