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點-面距離


PointPlaneDistance

給定一個平面

 ax+by+cz+d=0
(1)

和一個點 x_0=(x_0,y_0,z_0),平面的法向量由下式給出

 v=[a; b; c],
(2)

以及從平面到點的向量由下式給出

 w=-[x-x_0; y-y_0; z-z_0].
(3)

投影 wv 得到從點到平面的距離 D

D=|proj_(v)w|
(4)
=(|v·w|)/(|v|)
(5)
=(|a(x-x_0)+b(y-y_0)+c(z-z_0)|)/(sqrt(a^2+b^2+c^2))
(6)
=(|ax+by+cz-ax_0-by_0-cz_0|)/(sqrt(a^2+b^2+c^2))
(7)
=(|-d-ax_0-by_0-cz_0|)/(sqrt(a^2+b^2+c^2))
(8)
=(|ax_0+by_0+cz_0+d|)/(sqrt(a^2+b^2+c^2)).
(9)

去掉絕對值符號得到有符號距離,

 D=(ax_0+by_0+cz_0+d)/(sqrt(a^2+b^2+c^2)),
(10)

如果 x_0 與法向量 v 在平面的同一側,則為正值;如果在平面的另一側,則為負值。

對於以 Hessian 法式指定的平面,這可以非常方便地用簡單方程表示

 D=n^^·x_0+p,
(11)

其中 n^^=v/|v| 是單位法向量。因此,平面到原點的距離由 p 給出(Gellert et al. 1989, p. 541)。

給定三個點 x_i,其中 i=1, 2, 3,計算單位法向量

 n^^=((x_2-x_1)x(x_3-x_1))/(|(x_2-x_1)x(x_3-x_1)|).
(12)

那麼,從點 x_0 到包含這三個點的平面的(有符號)距離由下式給出

 D_i=n^^·(x_0-x_i),
(13)

其中 x_i 是這三個點中的任意一個。展開座標表明

 D=D_1=D_2=D_3,
(14)

因為所有點都在同一平面上,所以必須如此,儘管從上面的向量方程來看,這一點遠非顯而易見。

當點位於由其他三個點確定的平面上時,稱其與它們共面,並且上面公式給出的距離坍縮為 0。


另請參閱

共面, Hessian 法式, 平面, , 投影定理

使用 探索

參考文獻

Gellert, W.; Gottwald, S.; Hellwich, M.; Kästner, H.; and Künstner, H. (Eds.). VNR Concise Encyclopedia of Mathematics, 2nd ed. 紐約: Van Nostrand Reinhold, 1989.

在 中引用

點-面距離

引用為

Weisstein, Eric W. “點-面距離。” 來自 ——Wolfram 網路資源。 https://mathworld.tw/Point-PlaneDistance.html

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