Avstander mellom punkter, linjer og plan i rommet

Metrisk rom, bakgrunn for avstandsbegrep (avansert, noe utover R2 pensum)

I en mer generell kontekst er det euklidske rommet <math>(\mathbb{R^3})</math> et metrisk vektorrom, dvs. at vi har definert en metrikk, eller avstandsfunksjon <math>d(x,y)</math>, som tilfredsstiller kravene

<math>\begin{array}{cl} I.& d(x,y)=0 \Leftrightarrow x=y \\ II.& d(x,y)\geq 0 \, \forall x,y \\ III. & d(x,y)=d(y,x) \, \forall x,y\\ IV.& d(x,y)+d(y,z)\geq d(x,z)\, \forall x,y,z \end{array}</math>

Metrikken er i vårt tilfelle definert som

<math>d(x,y)=|x-y|</math>

Her er x,y og z romlige vektorer (selv om vi har droppet vektorpil).

Avstand mellom punkter

Med metrikken i bakhodet definerer vi avstanden mellom punkter på vanlig måte, dvs.

<math>d(x,y)=|x-y|=|y-x|</math>

Avstand mellom et punkt og en linje

Definisjon

Vi tenker oss en linje som en delmengde <math>\mathcal{U}</math> av hele det euklidske rommet, dvs. at <math>\mathcal{U}</math> er mengden av alle punkter på linja. Da er avstanden mellom et punkt <math>x</math> og <math>\mathcal{U}</math>

<math>d(x,\mathcal{U})=\min_y(|x-y|:y\in \mathcal{U})</math>

Altså er avstanden mellom punktet x og linja <math>\mathcal{U}</math> den minste avstanden mellom x og alle punkter y på linja.

Konkret beregning

Gitt punktet <math>\vec{p}=(x,y,z)</math> og linja på parameterform <math>\vec{l}(t)=(t,y(t),z(t))</math> finner vi avstanden ved først å beregne vektoren;

<math>\vec{d}(t)=\vec{l}(t)-\vec{r}</math>.

Tar vi lengden av denne vektoren får vi en skalarfunksjon av variabelen <math>t</math> som representerer avstanden mellom punktet og punkter på linja. Bruker vi så definisjonen over, vil minimum av <math>|\vec{d}(t)|</math> være avstanden vi er ute etter, som typisk finnes ved å nullstille den deriverte <math>\frac{d(|\vec{d}(t)|)}{dt}</math>.

Avstand mellom et punkt og et plan

Definisjon

Dersom <math>\mathcal{V}</math> er delmengden bestående av alle punkter i et plan og <math>x</math> er et punkt, er avstanden definert som

<math>d(x,\mathcal{V})=\min_{y}(|x-y|:y\in\mathcal{V})</math>

Konkret beregning

Gitt et plan , <math>ax+by+cz=d</math>, med enhetsnormalvektor <math>\frac{1}{|(a,b,c)|}(a,b,c)</math>, og et punkt <math>\vec{p}=(x,y,z)</math>, finner vi avstanden mellom punktet og planet ved først å finne et vilkårlig punkt i planet. (Hvis <math>c\neq 0</math> kan vi f.eks. la <math>x=y=0</math> i ligningen for planet. Da blir <math>z=\frac{d}{c}</math> og vi får punktet <math>(0,0,\frac{d}{c})</math> som ligger i planet.) Tar vi differansen mellom punktet i planet og punktet <math>\vec{p}</math>, (eksempelvis <math>\vec{v}-(0,0,\frac{d}{c})</math>) og tar skalarproduktet av denne og enhetsnormalvektoren, finne vi avstanden , opp til fortegn, vi er ute etter.