Перпендикулярность

Шаблон:Похожие символы Перпендикуля́рность (от Шаблон:Lang-lat — букв. отвесный) — бинарное отношение между различными объектами (векторами, прямыми, подпространствами и т. д.).

Для обозначения перпендикулярности имеется общепринятый символ: ⊥, предложенный в 1634 году французским математиком Пьером Эригоном. Например, перпендикулярность прямых $m$ и $n$ записывают как $m\perp n$.

На плоскости

Перпендикулярные прямые на плоскости

Две прямые на плоскости называются перпендикулярными, если при пересечении они образуют 4 прямых угла.

Про прямую $m$ перпендикулярную к прямой $\ell$ проведённую через точку $P$ вне прямой $\ell$, говорят, что $m$ есть перпендикуляр опущенный из $P$ на $\ell$. Если же точка $P$ лежит на прямой $\ell$, то говорят, что $m$ есть перпендикуляр к восстановленный из $P$ к $\ell$ (устаревший термин восставленный).

В координатах

В аналитическом выражении прямые, заданные линейными функциями

$y=a\cdot x+b$

и

$y=k\cdot x+m$

будут перпендикулярны, если выполнено следующее условие на их угловые коэффициенты

$a\cdot k=-1.$

Построение перпендикуляра

Построение перпендикуляра

Шаг 1: С помощью циркуля проведём полуокружность с центром в точке P, получив точки А и В.

Шаг 2: Не меняя радиуса, построим две полуокружности с центром в точках A и В соответственно, проходящими через точку P. Кроме точки P есть ещё одна точка пересечения этих полуокружностей, назовём её Q.

Шаг 3: Соединяем точки P и Q. PQ и есть перпендикуляр к прямой AB.

Координаты точки основания перпендикуляра к прямой

Пусть прямая задаётся точками $A(x_a,y_a)$ и $B(x_b,y_b)$. На прямую опускается перпендикуляр из точки $P(x_p,y_p)$. Тогда основание перпендикуляра $O(x_o,y_o)$ можно найти следующим образом.

Если $x_a=x_b$ (вертикаль), то $x_o=x_a$ и $y_o=y_p$. Если $y_a=y_b$ (горизонталь), то $x_o=x_p$ и $y_o=y_a$.

Во всех остальных случаях:

$x_o=\frac{x_a\cdot (y_b-y_a{)}^2+x_p\cdot (x_b-x_a{)}^2+(x_b-x_a)\cdot (y_b-y_a)\cdot (y_p-y_a)}{(y_b-y_a{)}^2+(x_b-x_a{)}^2}$;

$y_o=\frac{(x_b-x_a)\cdot (x_p-x_o)}{(y_b-y_a)}+y_p$.

В трёхмерном пространстве

Перпендикулярные прямые

Две прямые в пространстве перпендикулярны друг другу, если они соответственно параллельны некоторым двум другим взаимно перпендикулярным прямым, лежащим в одной плоскости. Две прямые, лежащие в одной плоскости, называются перпендикулярными (или взаимно перпендикулярными), если они образуют четыре прямых угла.

Перпендикулярность прямой к плоскости

Определение: Прямая называется перпендикулярной к плоскости, если она перпендикулярна всем прямым, лежащим в этой плоскости.

Признак: Если прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости, то она перпендикулярна этой плоскости.

Плоскость, перпендикулярная одной из двух параллельных прямых, перпендикулярна и другой. Через любую точку пространства проходит прямая, перпендикулярная к данной плоскости, и притом только одна.

Перпендикулярные плоскости

Две плоскости называются перпендикулярными, если двугранный угол между ними равен 90°.

• Если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны.
• Если из точки, принадлежащей одной из двух перпендикулярных плоскостей, провести перпендикуляр к другой плоскости, то этот перпендикуляр полностью лежит в первой плоскости.
• Если в одной из двух перпендикулярных плоскостей провести перпендикуляр к их линии пересечения, то этот перпендикуляр будет перпендикулярен второй плоскости.
• Плоскость, перпендикулярная двум пересекающимся плоскостям, перпендикулярна их линии пересечения.

В многомерных пространствах

Перпендикулярность плоскостей в 4-мерном пространстве

Перпендикулярность плоскостей в четырёхмерном пространстве имеет два смысла: плоскости могут быть перпендикулярны в 3-мерном смысле, если они пересекаются по прямой (а следовательно, лежат в одной гиперплоскости), и двугранный угол между ними равен 90°.

Плоскости могут быть также перпендикулярны в 4-мерном смысле, если они пересекаются в точке (а следовательно, не лежат в одной гиперплоскости), и любые 2 прямые, проведённые в этих плоскостях через точку их пересечения (каждая прямая в своей плоскости), перпендикулярны.

В 4-мерном пространстве через данную точку можно провести ровно 2 взаимно перпендикулярные плоскости в 4-мерном смысле (поэтому 4-мерное евклидово пространство можно представить как декартово произведение двух плоскостей). Если же объединить оба вида перпендикулярности, то через данную точку можно провести 6 взаимно перпендикулярных плоскостей (перпендикулярных в любом из двух вышеупомянутых значений).

Существование шести взаимно перпендикулярных плоскостей можно пояснить таким примером. Пусть дана система декартовых координат x y z t. Для каждой пары координатных прямых существует плоскость, включающая эти две прямые. Количество таких пар равно $(\genfrac{}{}{0ex}{}{4}{2})=6$: xy, xz, xt, yz, yt, zt, и им соответствуют 6 плоскостей. Те из этих плоскостей, которые включают одноимённую ось, перпендикулярны в 3-мерном смысле и пересекаются по прямой (например, xy и xz, yz и zt), а те, которые не включают одноимённых осей, перпендикулярны в 4-мерном смысле и пересекаются в точке (например, xy и zt, yz и xt).

Перпендикулярность прямой и гиперплоскости

Пусть задано n-мерное евклидово пространство ${ℝ}^n$(n>2) и ассоциированное с ним векторное пространство $W^n$, а прямая l с направляющим векторным пространством $L^1$ и гиперплоскость ${\mathrm{\Pi }}_k$ с направляющим векторным пространством $L^k$ (где $L_1\subset W^n$, $L^k\subset W^n,k<n$) принадлежат пространству ${ℝ}^n$.

Прямая l называется перпендикулярной гиперплоскости ${\mathrm{\Pi }}_k$, если подпространство $L_1$ ортогонально подпространству $L^k$, то есть $(\mathrm{\forall }\overrightarrow{a}\in L_1)(\mathrm{\forall }\overrightarrow{b}\in L_k)\overrightarrow{a}\overrightarrow{b}=0$

Вариации и обобщения

• В теории инверсии вводятся: окружность или прямая, перпендикулярные к окружности $\mathrm{\Gamma }$.
• В теории окружностей и инверсии две окружности, пересекающиеся под прямым углом, называются ортогональными (перпендикулярными). Окружности можно считать ортогональными, если они образуют прямой угол друг с другом. Обычно угол между кривыми — это угол между их касательными, проведенными в точке их пересечения.
• В теории инверсии прямая перпендикулярна к окружности $\mathrm{\Gamma }$, если она проходит через центр последней.

См. также

• Нормаль
• Параллельность
• Ортогональность
• Высота
• Теорема о трёх перпендикулярах