三个平面x=cy+bz,y=az+cx,z=bx+ay过同一直线的充要条件是( )。A. a+b+c+2abc=0B. a+b+c+2abc=1C. a 2 +b 2 +c 2 + 2 abc=0D. a 2 +b 2 +c 2 + 2 abc=1
A. a+b+c+2abc=0
B. a+b+c+2abc=1
C. a 2 +b 2 +c 2 + 2 abc=0
D. a 2 +b 2 +c 2 + 2 abc=1
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查三个平面过同一直线的充要条件,涉及平面方程的法向量关系及行列式的应用。
解题核心思路:三个平面过同一直线,当且仅当它们的法向量线性相关,即由法向量组成的矩阵行列式为零。通过计算该行列式并化简,可得到充要条件。
破题关键点:
- 确定法向量:将每个平面方程转换为标准形式,提取法向量。
- 行列式条件:构造法向量矩阵,计算行列式并令其为零,得到方程。
- 代数化简:展开行列式并整理,得到最终条件。
步骤1:确定法向量
三个平面方程分别为:
- $x - cy - bz = 0$,法向量为 $\vec{n_1} = (1, -c, -b)$;
- $-cx + y - az = 0$,法向量为 $\vec{n_2} = (-c, 1, -a)$;
- $-bx - ay + z = 0$,法向量为 $\vec{n_3} = (-b, -a, 1)$。
步骤2:构造矩阵并计算行列式
将法向量作为行(或列)构成矩阵:
$M = \begin{pmatrix}1 & -c & -b \\-c & 1 & -a \\-b & -a & 1\end{pmatrix}$
计算行列式 $|M|$:
$\begin{aligned}|M| &= 1 \cdot (1 \cdot 1 - (-a)(-a)) - (-c) \cdot (-c \cdot 1 - (-a)(-b)) + (-b) \cdot (-c \cdot (-a) - 1 \cdot (-b)) \\&= 1 \cdot (1 - a^2) - (-c) \cdot (-c - ab) + (-b) \cdot (ca - b) \\&= 1 - a^2 - c^2 - abc - abc - b^2 \\&= 1 - (a^2 + b^2 + c^2) - 2abc.\end{aligned}$
步骤3:行列式为零的条件
当三个平面有公共直线时,行列式 $|M| = 0$,即:
$1 - (a^2 + b^2 + c^2) - 2abc = 0 \implies a^2 + b^2 + c^2 + 2abc = 1.$