向量法求点在直线上的投影

news2024/12/23 8:10:10

已知直线上两点a、b和直线外一点p,求p在直线ab上的投影点。
根据《计算几何之 点在直线上的投影 代码模板与证明》一文中所述,p的投影点p’就是a+ x ⃗ \vec x x (直线的点向式),所以我们只要求出 x ⃗ \vec x x 就能求出p’了。
在这里插入图片描述
x ⃗ \vec x x = t v ⃗ \vec v v ,这个t就是 ∣ x ⃗ \vec x x ∣ 和 ∣ v ⃗ \vec v v ∣ 的比值。假设两个向量的夹角为 θ \theta θ,则有:
t = ∣ x ⃗ ∣ ∣ v ⃗ ∣ = ∣ u ⃗ ∣ ∗ c o s θ ∣ v ⃗ ∣ t=\frac{|\vec x|}{|\vec v|}=\frac{|\vec u|*cos\theta}{|\vec v|} t=v x =v u cosθ
根据向量的知识我们可以知道向量的夹角计算方式为:
c o s θ = u ⃗ ∗ v ⃗ ∣ u ⃗ ∣ ∗ ∣ v ⃗ ∣ cos\theta = \frac{\vec u*\vec v}{|\vec u|*|\vec v|} cosθ=u v u v
因此,t的解算可以优化为:
t = ∣ u ⃗ ∣ ∗ c o s θ ∣ v ⃗ ∣ = ∣ u ⃗ ∣ ∣ v ⃗ ∣ ∗ u ⃗ ∗ v ⃗ ∣ u ⃗ ∣ ∗ ∣ v ⃗ ∣ = u ⃗ ∗ v ⃗ ∣ v ⃗ ∣ 2 t=\frac{|\vec u|*cos\theta}{|\vec v|}=\frac{|\vec u|}{|\vec v|}*\frac{\vec u*\vec v}{|\vec u|*|\vec v|}=\frac{\vec u*\vec v}{|\vec v|^2} t=v u cosθ=v u u v u v =v 2u v
于是乎,我们就可以得到向量 x ⃗ \vec x x :
x ⃗ = t ∗ v ⃗ = u ⃗ ∗ v ⃗ ∗ v ⃗ ∣ v ⃗ ∣ 2 \vec x = t*\vec v = \frac{\vec u*\vec v*\vec v}{|\vec v|^2} x =tv =v 2u v v
由此,我们就可以计算出所需要的向量 x ⃗ \vec x x ,但是某些时候我们只知道向量的一个端点以及它的夹角,是否有更为方便的方式使用上述的式子呢?对于上述式子,我们还可以将其进一步简化。对于向量 v ⃗ \vec v v 而言,其可以简写成:
v ⃗ = ∣ v ⃗ ∣ ∗ e ⃗ \vec v =|\vec v|*\vec e v =v e
其中, e ⃗ \vec e e v ⃗ \vec v v 的单位向量。
因此,向量 x ⃗ \vec x x 也可以写成:
x ⃗ = t ∗ v ⃗ = u ⃗ ∗ e ⃗ ∗ e ⃗ \vec x = t*\vec v = {\vec u*\vec e*\vec e} x =tv =u e e
注意这里的运算方式,前面的 u ⃗ ∗ e ⃗ \vec u*\vec e u e 代表的是向量的点乘,因此得到的是一个具体的数,数再乘以向量最后得到一个新的向量。因此,通过这种方式我们也可以使用这种方式来计算它的投影向量。

因此,对于最开始的问题,关于点p在向量上的投影点,其计算方式可以写为:
p ′ = p + x ⃗ = p + u ⃗ ∗ e ⃗ ∗ e ⃗ p' =p+\vec x = p+{\vec u*\vec e*\vec e} p=p+x =p+u e e
简单的代码实现:

    Vec2f vec;//向量
    Vec2f P;//向量外的点
    Vec2f P_pro;//投影点
    theta = 1.2;//向量的夹角
    vec[0] = 4.3;//向量上的一个点
    vec[1] = 2.2;
    P[0] = 1;
    P[1] = 0;
    Vec2f e;//单位向量
    e[0] = cos(theta);
    e[1] = sin(theta);
    Vec2f u;
    u = P-vec;//向量U,终点减起点
    P_pro = vec+(u.dot(e))*e;

得到的结果如下:
在这里插入图片描述
图中箭头代表的是向量,左侧的紫色球体代表平面上的一点,右下方的紫色球体代表该点在向量上的投影位置。
例如我们修改向量的方向及位置:

    theta = 0.2;//向量的夹角
    vec[0] = 1.3;//向量上的一个点
    vec[1] = 0.2;

则会得到新的位置关系:
在这里插入图片描述
从上述的结果来看原式子的结论应该是没有问题的。

补充知识点:如何判断点在向量的左侧还是右侧?
根据夹角的计算方式:
c o s θ = u ⃗ ∗ v ⃗ ∣ u ⃗ ∣ ∗ ∣ v ⃗ ∣ cos\theta = \frac{\vec u*\vec v}{|\vec u|*|\vec v|} cosθ=u v u v
由于分母为模长,必定为正数,所以角度的正负由分子决定,因此,根据向量的点乘结果即可以判断点在向量的左侧还是右侧。
参考:
计算几何之 点在直线上的投影 代码模板与证明
向量点乘(内积)和叉乘(外积、向量积)概念及几何意义解读
Numpy计算给定线段上点的投影位置(x,y)
点在直线的投影坐标 n维向量投影坐标 几何投影坐标

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