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点 ​

三维向量 (x,y,z)

点积 ​

a→⋅b→=axbx+ayby+azbz

当 a→,b→ 均非零时,点积满足

a→⋅b→=|a→||b→|cos⁡θ.

点积本身不是投影值。当 b→≠0→ 时,a→ 在 b→ 方向上的标量投影与向量投影分别为

compb→a→=a→⋅b→|b→|,projb→a→=a→⋅b→b→⋅b→b→.

叉积 ​

a→×b→=(aybz−azby,azbx−axbz,axby−aybx)

几何意义:|a→×b→|=|a→||b→|sin⁡θ

特别地,当 a→,b→ 不平行时,a→×b→ 非零,可以作为 a→,b→ 所在平面的法向量。

在 a→,b→ 所在平面选定单位法向量 n^ 后,(a→×b→)⋅n^ 对应这两个向量在该有向平面内的二维叉积。

三重积 ​

即 (a→×b→)⋅c→

在数值上,

(a→×b→)⋅c→=|axayazbxbybzcxcycz|.

三重积是有符号量,其绝对值才是三个向量张成的平行六面体体积:

V=|(a→×b→)⋅c→|.

特别地,由 O,A,B,C 四点构成的四面体体积为

VOABC=|(OA→×OB→)⋅OC→|6.

线段 ​

线段 AB 可以写成

X→=A→+t(B→−A→),0≤t≤1.

点在线段上的判定与二维类似,但两条空间线段即使投影相交也可能异面;判断相交时必须验证它们在三维空间中确实存在同一个交点。

直线 ​

空间直线仍可使用点向式 X→=P→+tv→ 表示,其中 v→≠0→。两条空间直线除相交、平行或重合外,还可能异面,因此不能直接套用二维直线的全部结论。

平面 ​

三点式 ​

三点 P1,P2,P3 只有在不共线时才能唯一确定一个平面,即

(P→2−P→1)×(P→3−P→1)≠0→.

此时可以取法向量 n→=(P→2−P→1)×(P→3−P→1),平面方程为

(X→−P→1)⋅n→=0.

若三点共线,则有无穷多个平面经过它们,不能得到唯一平面。

点法式 ​

平面上一点 P 与垂直于该平面的非零法向量 n→ 可以表示平面:

(X→−P→)⋅n→=0,n→≠0→.

球 ​

球心 O(x,y,z) 和半径 r。下文涉及球面距离和球面三角形时均假设 r>0。

体积公式:V=43πr3

表面积公式:S=4πr2

球截面 ​

设平面到球心的距离为 δ:

  • δ=0 时,截面是半径为 r 的大圆;
  • 0<δ<r 时,截面是半径为 r2−δ2 的小圆;
  • δ=r 时,平面与球面相切,交集退化为一个点;
  • δ>r 时,平面与球面没有交点。

球面弧 ​

设球面上两点为 P,Q,令 u→=P→−O→,v→=Q→−O→,则它们的中心角可以写成

θ=atan2(|u→×v→|,u→⋅v→)∈[0,π],

也可以用 arccos⁡((u→⋅v→)/r2) 计算;浮点实现应先把余弦值限制在 [−1,1] 内。

球面距离为

d=rθ.

当 P,Q 既不重合也不互为对跖点时,连接它们的最短球面曲线唯一,是两点所在大圆的劣弧。当 P,Q 为对跖点时,任意经过它们的大圆半圆都是最短路,长度均为 πr,因此最短路不唯一。小圆弧一般不是球面的测地线,也不是两点间的最短路。

对于非重合、非对跖的两点,在固定的同一个大圆上有一条劣弧和一条优弧,优弧只是其中较长的一条。若允许任意球面曲线通过绕行增加长度,则不存在“所有曲线中最长”的连接方式。

球冠 ​

球冠可视作球面上到极点的球面距离不超过 d 的区域,其中 0≤d≤πr。

  • 球冠的高 h
  • 球冠的底面半径:a

球冠曲面面积(不含底面圆):S=2πrh

对应球缺的体积:V=πh2(3r−h)3

中心角(以球心为顶点,弧对应的角):θ

θ=drh=r(1−cos⁡θ)a=rsin⁡θ

球面三角形 ​

球面上三个点 A,B,C 两两不互为对跖点,且不全位于同一个大圆上时,可以用大圆劣弧围成非退化球面三角形。下文取标准的凸球面三角形,设顶点 A,B,C 处的内角分别为 α,β,γ,且角度均使用弧度制;设 a,b,c∈(0,π) 为对应边的中心角,即

a=∠BOC,b=∠COA,c=∠AOB.

三条边的实际弧长分别为 ra,rb,rc。

球面三角形面积:r2(α+β+γ−π)。

球面余弦定理:

  • cos⁡a=cos⁡bcos⁡c+sin⁡bsin⁡ccos⁡α
  • cos⁡b=cos⁡ccos⁡a+sin⁡csin⁡acos⁡β
  • cos⁡c=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡bcos⁡γ

若使用实际弧长 sa,sb,sc,则代入三角函数前必须先换成中心角 a=sa/r,b=sb/r,c=sc/r。

球面正弦定理:

  • sin⁡asin⁡α=sin⁡bsin⁡β=sin⁡csin⁡γ