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La geometria analitica nello spazio estende al riferimento cartesiano tridimensionale gli strumenti già noti nel piano: si introducono le coordinate di un punto, la distanza e il punto medio, e si traducono in equazioni gli enti fondamentali, cioè il piano, la retta e la superficie sferica. L'argomento intreccia il linguaggio dei vettori (componenti, prodotto scalare, vettore normale e vettore direttore) con la risoluzione di problemi di posizione, distanza e intersezione. È un nucleo tipico del quinto anno del Liceo Scientifico ed entra a pieno titolo nel profilo della seconda prova dell'Esame di Stato.
4 sezioni~22 min di lettura3 competenzeLivello Base 1 · Standard 2 · Approfondimento 1Verificato · 07/2026
livello base
In tutti gli indirizzi liceali è richiesto saper collocare un punto nello spazio, calcolare distanze e riconoscere le equazioni del piano, della retta e della sfera in casi standard.
livello avanzato
Nel Liceo Scientifico (e nell'opzione Scienze Applicate) si affrontano in modo sistematico i vettori nello spazio, il prodotto scalare per studiare ortogonalità e angoli, e i problemi di distanza punto-piano e di intersezione, anche in vista della seconda prova.
Profondità di lettura: Approfondimento
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Riferimento cartesiano nello spazio con due punti
Distanza nello spazio
Distanza euclidea tra due punti: estensione tridimensionale del teorema di Pitagora.
Punto medio
Le coordinate del punto medio sono la semisomma delle coordinate omologhe degli estremi.
Dati i punti A(1; 2; 3) e B(4; 6; 3), calcola la distanza AB, le coordinate del punto medio M del segmento AB e le componenti del vettore AB.
Calcolo le differenze coordinata per coordinata: Δx = 4 − 1 = 3, Δy = 6 − 2 = 4, Δz = 3 − 3 = 0.
Applico la formula della distanza con i tre quadrati delle differenze.
Faccio la semisomma delle coordinate omologhe.
Le componenti di AB sono le differenze delle coordinate trovate al primo passo.
Risultato: La distanza è AB = 5, il punto medio è M(5/2; 4; 3) e il vettore è AB = (3; 4; 0).
Errori frequenti
Approfondimento
La formula della distanza nello spazio si dimostra applicando due volte il teorema di Pitagora, e questo passaggio chiarisce da dove venga il terzo quadrato. Dati «A(x₁, y₁, z₁)» e «B(x₂, y₂, z₂)», si costruisce il parallelepipedo rettangolo che ha «AB» come diagonale, con spigoli paralleli agli assi di lunghezze «|Δx|», «|Δy|», «|Δz|», dove «Δx = x₂ − x₁» e simili. Sulla base orizzontale, la diagonale «d₁» del rettangolo di lati «|Δx|» e «|Δy|» vale «d₁² = Δx² + Δy²», per Pitagora nel piano. La diagonale «AB» dello spazio è a sua volta l'ipotenusa del triangolo rettangolo di cateti «d₁», orizzontale, e «|Δz|», verticale, dunque «AB² = d₁² + Δz² = Δx² + Δy² + Δz²»: da qui «AB = √(Δx² + Δy² + Δz²)». Il terzo termine non è un'aggiunta arbitraria ma il contributo della quota. Introdotto il vettore «AB = (Δx, Δy, Δz)», la distanza coincide con il suo modulo «|AB| = √(AB·AB)», dove «AB·AB» è il prodotto scalare del vettore con sé stesso: è il primo esempio di come il prodotto scalare, che ritroveremo per piani e rette, misuri lunghezze e, tramite «cos θ = (u·v)/(|u||v|)», anche angoli.
Ripasso attivo
Dati i punti A(1; 2; 3) e B(4; 6; 3), calcola la distanza AB, le coordinate del punto medio M del segmento AB e le componenti del vettore AB.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Piano con il suo vettore normale
Equazione cartesiana del piano
Equazione di primo grado nelle tre variabili; (a; b; c) sono le componenti di un vettore normale al piano.
Piano per un punto, dato il normale
Si impone che il vettore che congiunge il punto fissato a un punto generico sia perpendicolare al normale (prodotto scalare nullo).
Distanza punto-piano
Si sostituiscono le coordinate del punto nel primo membro, si prende il valore assoluto e si divide per il modulo del vettore normale.
Determina l'equazione cartesiana del piano π passante per il punto P(1; 0; 2) e avente come vettore normale n = (2; −1; 3); calcola poi la distanza dell'origine O da π.
Uso la forma a(x − x₀) + b(y − y₀) + c(z − z₀) = 0 con a=2, b=−1, c=3 e P(1; 0; 2).
Eseguo i prodotti e raccolgo il termine noto.
Sostituisco P(1; 0; 2): 2·1 − 0 + 3·2 − 8 = 2 + 6 − 8 = 0, quindi P appartiene a π.
Sostituisco O(0; 0; 0) nel primo membro e divido per il modulo del normale, |n| = √(4+1+9) = √14.
Risultato: Il piano è 2x − y + 3z − 8 = 0 e la distanza dell'origine è d(O; π) = 8/√14 = 4√14/7 ≈ 2.14.
Errori frequenti
Approfondimento
L'equazione cartesiana del piano si deduce dal prodotto scalare e dalla condizione di perpendicolarità, e la stessa idea genera la formula della distanza. Fissati un punto «P₀(x₀, y₀, z₀)» del piano e un vettore normale «n = (a, b, c)», un punto «P(x, y, z)» appartiene al piano se e solo se il vettore «P₀P = (x − x₀, y − y₀, z − z₀)» giace nel piano, cioè è perpendicolare a «n». La perpendicolarità si traduce nell'annullarsi del prodotto scalare: «n · P₀P = a(x − x₀) + b(y − y₀) + c(z − z₀) = 0». Svolgendo si ottiene «ax + by + cz + d = 0» con «d = −(ax₀ + by₀ + cz₀)»: i coefficienti delle variabili sono proprio le componenti del vettore normale. La distanza di un punto «P₁» dal piano si ottiene proiettando «P₀P₁» sulla direzione di «n»: la componente di «P₀P₁» lungo «n» è «(n · P₀P₁)/|n|», e sostituendo «P₀» si arriva a «d(P₁, π) = |ax₁ + by₁ + cz₁ + d|/√(a² + b² + c²)». È l'esatto analogo tridimensionale della distanza punto-retta, con il vettore normale «(a, b, c)» al posto di «(a, b)»; da qui, il parallelismo tra piani si controlla sui normali proporzionali e la perpendicolarità sul loro prodotto scalare nullo.
Ripasso attivo
Determina l'equazione cartesiana del piano π passante per il punto P(1; 0; 2) e avente come vettore normale n = (2; −1; 3); calcola poi la distanza dell'origine O da π.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Posizioni reciproche tra due rette nello spazio
Equazioni parametriche della retta
P₀(x₀; y₀; z₀) è un punto della retta e v = (l; m; n) è il vettore direttore; t è il parametro reale.
Forma simmetrica della retta
Si ottiene eliminando il parametro t quando le componenti del direttore sono tutte non nulle.
Parallelismo retta-piano
La retta è parallela al piano quando il vettore direttore è perpendicolare al vettore normale del piano.
Data la retta r di equazioni parametriche x = 1 + t, y = 2t, z = −1 + t e il piano π: x + y − z − 6 = 0, determina il punto di intersezione tra r e π (verificando prima che la retta non sia parallela al piano).
Il direttore di r è v = (1; 2; 1) e il normale di π è n = (1; 1; −1). Calcolo v·n: poiché è diverso da zero, la retta NON è parallela al piano ed esiste un unico punto di intersezione.
Sostituisco x, y, z (in funzione di t) nell'equazione di π.
Semplifico: 1 + t + 2t + 1 − t − 6 = 2t − 4 = 0, da cui t = 2.
Reinserisco t = 2 nelle equazioni parametriche.
Risultato: La retta e il piano si intersecano nell'unico punto P(3; 4; 1).
Errori frequenti
Approfondimento
La posizione più tipica dello spazio — due rette sghembe — si riconosce con un criterio vettoriale che vale la pena formalizzare. Siano «r» e «s» due rette di punti «P₁», «P₂» e vettori direttori «v₁», «v₂». Se «v₁» e «v₂» sono paralleli le rette sono parallele o coincidenti; se non lo sono, le rette sono complanari, quindi incidenti, oppure sghembe. Il discrimine è se i tre vettori «P₁P₂», «v₁», «v₂» giacciono in uno stesso piano: le rette sono complanari se e solo se questi tre vettori sono linearmente dipendenti, cioè se il volume del parallelepipedo che essi individuano — il prodotto misto «P₁P₂ · (v₁ × v₂)» — è nullo. Se tale volume è diverso da zero le rette sono sghembe: non hanno punti comuni e non stanno in alcun piano, configurazione impossibile nel piano ma tipica dello spazio. L'ortogonalità tra due rette si controlla invece con il solo prodotto scalare dei direttori, «v₁ · v₂ = 0», e l'angolo tra loro dal suo valore, «cos θ = (v₁ · v₂)/(|v₁||v₂|)». L'intersezione tra retta e piano, infine, si trova sostituendo le equazioni parametriche «x = x₀ + lt», e simili, nell'equazione del piano, ricavando l'unico «t», se esiste, e reinserendolo per ottenere il punto.
Ripasso attivo
Data la retta r di equazioni parametriche x = 1 + t, y = 2t, z = −1 + t e il piano π: x + y − z − 6 = 0, determina il punto di intersezione tra r e π (verificando prima che la retta non sia parallela al piano).
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Sfera con centro e raggio
Sfera (forma canonica)
Luogo dei punti a distanza r dal centro C(α; β; γ); è l'estensione spaziale dell'equazione della circonferenza.
Sfera (forma generale)
Forma ottenuta sviluppando i quadrati; i coefficienti di primo grado individuano il centro, il termine noto è legato al raggio.
Centro e raggio dalla forma generale
Centro e raggio si leggono dai coefficienti; la sfera è reale solo se il radicando è positivo.
Data l'equazione x² + y² + z² − 2x + 4y − 6z + 5 = 0, verifica che rappresenta una superficie sferica e determinane il centro e il raggio.
Confronto con x² + y² + z² + ax + by + cz + d = 0: ottengo a = −2, b = 4, c = −6, d = 5.
Il centro è (−a/2; −b/2; −c/2).
Applico r² = (a/2)² + (b/2)² + (c/2)² − d.
Poiché r² = 9 > 0, l'equazione rappresenta una sfera reale di raggio r = 3.
Risultato: L'equazione rappresenta una superficie sferica di centro C(1; −2; 3) e raggio r = 3.
Errori frequenti
Approfondimento
Il passaggio dalla forma generale della sfera «x² + y² + z² + ax + by + cz + d = 0» a centro e raggio si ottiene con il completamento del quadrato applicato tre volte, una per variabile. Si raggruppano i termini in ciascuna variabile e si completa: «x² + ax = (x + a/2)² − a²/4», e analogamente per «y» e «z». Sostituendo, l'equazione diventa «(x + a/2)² + (y + b/2)² + (z + c/2)² = a²/4 + b²/4 + c²/4 − d». Confrontando con la forma canonica «(x − α)² + (y − β)² + (z − γ)² = r²» si legge subito il centro «C(−a/2, −b/2, −c/2)», con i segni opposti ai coefficienti, e il raggio al quadrato «r² = (a/2)² + (b/2)² + (c/2)² − d». L'equazione rappresenta una sfera reale solo se questa quantità è positiva; se è nulla il luogo si riduce al solo centro, se è negativa non esiste alcun punto reale. Da qui anche l'intersezione con un piano: se la distanza «δ» del centro dal piano è minore di «r», la sezione è una circonferenza di raggio «√(r² − δ²)», per Pitagora nel triangolo centro-piede-punto; se «δ = r» il piano è tangente, se «δ > r» è esterno. È l'estensione tridimensionale, termine per termine, della teoria della circonferenza nel piano.
Ripasso attivo
Data l'equazione x² + y² + z² − 2x + 4y − 6z + 5 = 0, verifica che rappresenta una superficie sferica e determinane il centro e il raggio.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Riferimenti e fonti
Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM)