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Geometria analitica nello spazio

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 lettura·3 competenze·Livello Base 1 · Standard 2 · Approfondimento 1·Verificato · 07/2026

T·121212 / 16
Profilo d’esame
Estendere allo spazio gli strumenti della geometria analitica del piano, operando nel riferimento cartesiano tridimensionaleRisolvere problemi di posizione, distanza e intersezione tra punti, rette, piani e sfere nello spazioCollegare la rappresentazione algebrica (equazioni) e quella geometrica delle figure spaziali, anche mediante i vettori
Operatori:calcoladeterminascrivi l'equazioneverificadimostraclassificainterpretarappresenta

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

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Testo

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Contenuti · 4 sezioni▾
  1. Geometria analitica nello spazio
    • 01Coordinate cartesiane, distanza e punto medio○
    • 02Il piano nello spazio◐
    • 03La retta nello spazio e le posizioni reciproche●
    • 04La superficie sferica◐
§ 01

Coordinate cartesiane, distanza e punto medio#

●○○BaseLPOSA-matematica-geometriaLPSistema di riferimento cartesiano nello spazio; distanza e punto medio

Riferimento cartesiano nello spazio con due punti

Punti, segmento e punto medio nello spazioFigura geometrica (3D), O, A, B, M, ABOABMx1x2x3AB

Punti chiave

Un sistema di riferimento cartesiano ortogonale nello spazio è formato da tre rette orientate a due a due perpendicolari, gli assi x, y e z, che si incontrano nell'origine O e individuano un punto generico mediante una terna ordinata di numeri reali. A ogni punto P corrisponde così la terna delle sue coordinate P(x; y; z), dette rispettivamente ascissa, ordinata e quota; viceversa, ogni terna di numeri reali individua uno e un solo punto. I tre assi determinano tre piani coordinati (il piano xy, il piano xz e il piano yz) che suddividono lo spazio in otto regioni dette ottanti.
La distanza tra due punti A(x₁; y₁; z₁) e B(x₂; y₂; z₂) si ottiene applicando due volte il teorema di Pitagora ed è data dalla radice quadrata della somma dei quadrati delle differenze delle coordinate omologhe. È l'estensione naturale della formula della distanza nel piano: dove nel piano comparivano due termini, nello spazio ne compaiono tre, uno per ciascuna direzione. Questa formula è lo strumento di base per misurare segmenti, verificare congruenze e, più avanti, ricavare il raggio di una sfera a partire dal centro e da un punto.
Le coordinate del punto medio M di un segmento AB sono la media aritmetica, coordinata per coordinata, dei due estremi: si calcolano cioè separatamente la semisomma delle ascisse, quella delle ordinate e quella delle quote. Il punto medio è essenziale, ad esempio, per trovare il centro di un segmento di cui A e B sono gli estremi di un diametro, oppure per studiare la simmetria centrale rispetto a un punto.
Il segmento orientato da A a B può essere descritto dal vettore AB, le cui componenti sono le differenze delle coordinate (x₂−x₁; y₂−y₁; z₂−z₁). Il modulo di tale vettore coincide con la distanza AB. Pensare ai punti tramite i vettori è il ponte che collega la geometria sintetica e quella analitica: somme, differenze e multipli di vettori traducono in algebra le operazioni geometriche, e il modulo traduce la misura delle lunghezze.
AB‾=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2\overline{AB} = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2 + (z_2 - z_1)^2}AB=(x2​−x1​)2+(y2​−y1​)2+(z2​−z1​)2​

Distanza nello spazio

Distanza euclidea tra due punti: estensione tridimensionale del teorema di Pitagora.

M=(x1+x22; y1+y22; z1+z22)M = \left( \frac{x_1 + x_2}{2};\ \frac{y_1 + y_2}{2};\ \frac{z_1 + z_2}{2} \right)M=(2x1​+x2​​; 2y1​+y2​​; 2z1​+z2​​)

Punto medio

Le coordinate del punto medio sono la semisomma delle coordinate omologhe degli estremi.

Esempio svolto

Distanza, punto medio e vettore

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.

  1. 01Differenze delle coordinate

    Calcolo le differenze coordinata per coordinata: Δx = 4 − 1 = 3, Δy = 6 − 2 = 4, Δz = 3 − 3 = 0.

  2. 02Distanza

    Applico la formula della distanza con i tre quadrati delle differenze.

  3. 03Punto medio

    Faccio la semisomma delle coordinate omologhe.

  4. 04Componenti del vettore

    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).

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: saper calcolare con sicurezza distanza, punto medio e componenti di un vettore è un prerequisito operativo che ricorre in quasi tutti i quesiti di geometria dello spazio della seconda prova.
  • Focus Esame di Stato: prestare attenzione all'ordine delle coordinate (x; y; z) e all'uso coerente del teorema di Pitagora esteso; un errore di segno nelle differenze invalida l'intero calcolo successivo.

Errori frequenti

  • Dimenticare il terzo termine sotto radice nella distanza, applicando la formula del piano: la distanza nello spazio ha SEMPRE tre quadrati, anche quando una differenza di coordinate è nulla.
  • Confondere la somma con la differenza nel calcolo del punto medio: il punto medio usa la SEMISOMMA delle coordinate, mentre le componenti del vettore usano la DIFFERENZA.

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))

§ 02

Il piano nello spazio#

●●○StandardLPOSA-matematica-geometriaLPEquazione cartesiana del piano

Piano con il suo vettore normale

Piano π e vettore normale nFigura geometrica (3D), P, n, πPπx1x2x3n

Punti chiave

Un piano nello spazio è completamente individuato da un suo punto e da una direzione perpendicolare a esso, cioè da un vettore normale. L'equazione cartesiana del piano è di primo grado nelle tre variabili e ha la forma ax + by + cz + d = 0: i coefficienti a, b, c sono proprio le componenti di un vettore normale n = (a; b; c) al piano. Questa è l'idea-chiave dell'intera sezione: nello spazio è l'equazione di PRIMO grado a rappresentare un piano, mentre nel piano la stessa forma rappresentava una retta.
Se è noto un punto P₀(x₀; y₀; z₀) del piano e un vettore normale n = (a; b; c), l'equazione si ottiene imponendo che, per ogni punto P del piano, il vettore P₀P sia perpendicolare a n, cioè che il loro prodotto scalare sia nullo. Ne segue la forma a(x − x₀) + b(y − y₀) + c(z − z₀) = 0, che svolta dà l'equazione cartesiana. Il prodotto scalare nullo è la traduzione algebrica esatta della perpendicolarità.
I casi particolari aiutano la lettura geometrica: se manca il termine noto (d = 0) il piano passa per l'origine; se manca una variabile, il piano è parallelo all'asse corrispondente; i piani coordinati hanno equazioni semplicissime, z = 0 per il piano xy, y = 0 per il piano xz e x = 0 per il piano yz. Due piani sono paralleli quando i loro vettori normali sono paralleli (componenti proporzionali) e perpendicolari quando i vettori normali sono perpendicolari, cioè quando il loro prodotto scalare è nullo.
La distanza di un punto P₁(x₁; y₁; z₁) da un piano ax + by + cz + d = 0 si calcola con una formula analoga a quella della distanza punto-retta nel piano: si sostituiscono le coordinate del punto nel primo membro dell'equazione, si prende il valore assoluto e si divide per il modulo del vettore normale. Questa formula consente di misurare altezze, verificare l'appartenenza di un punto a un piano (distanza nulla) e affrontare problemi di tangenza tra piano e sfera.
ax+by+cz+d=0ax + by + cz + d = 0ax+by+cz+d=0

Equazione cartesiana del piano

Equazione di primo grado nelle tre variabili; (a; b; c) sono le componenti di un vettore normale al piano.

a(x−x0)+b(y−y0)+c(z−z0)=0a(x - x_0) + b(y - y_0) + c(z - z_0) = 0a(x−x0​)+b(y−y0​)+c(z−z0​)=0

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).

d(P1,π)=∣ax1+by1+cz1+d∣a2+b2+c2d(P_1, \pi) = \frac{\left| a x_1 + b y_1 + c z_1 + d \right|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}d(P1​,π)=a2+b2+c2​∣ax1​+by1​+cz1​+d∣​

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.

Esempio svolto

Equazione del piano e distanza dall'origine

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.

  1. 01Scrivo l'equazione per punto e normale

    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).

  2. 02Sviluppo i calcoli

    Eseguo i prodotti e raccolgo il termine noto.

  3. 03Verifica del passaggio per P

    Sostituisco P(1; 0; 2): 2·1 − 0 + 3·2 − 8 = 2 + 6 − 8 = 0, quindi P appartiene a π.

  4. 04Distanza dell'origine

    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.

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: leggere immediatamente nel piano ax + by + cz + d = 0 il vettore normale (a; b; c) è essenziale per studiare parallelismo, perpendicolarità e angoli tra piani.
  • Focus Esame di Stato: la formula della distanza punto-piano è uno strumento ricorrente nei quesiti, ad esempio per determinare l'altezza di un tetraedro o la condizione di tangenza tra un piano e una sfera.

Errori frequenti

  • Dimenticare il valore assoluto al numeratore della distanza punto-piano, ottenendo valori negativi privi di senso geometrico.
  • Confondere la condizione di parallelismo (vettori normali proporzionali) con quella di perpendicolarità (prodotto scalare dei normali nullo).

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))

§ 03

La retta nello spazio e le posizioni reciproche#

●●●ApprofondimentoLPOSA-matematica-geometriaLPEquazioni parametriche della retta nello spazio

Posizioni reciproche tra due rette nello spazio

Posizioni reciproche tra due rette nello spaziofigura a più pannelli, 3 pannelli, Dati: a) parallele — Figura geometrica (3D), 2 s; b) incidenti — Figura geometrica (3D), 1 P, 2 s; c) sghembe — Figura geometrica (3D), 2 sPosizioni reciproche tra due rette nello spaziox1x2x3a) parallelex1x2x3b) incidentix1x2x3c) sghembe

Punti chiave

A differenza del piano, dove una retta era descritta da una sola equazione di primo grado, nello spazio una retta richiede di essere individuata da un suo punto e da una direzione, cioè da un vettore direttore. La forma più naturale è quella delle equazioni parametriche: fissato un punto P₀(x₀; y₀; z₀) e un vettore direttore v = (l; m; n), ogni punto della retta si ottiene aggiungendo a P₀ un multiplo di v, al variare di un parametro reale t. Si scrive così x = x₀ + lt, y = y₀ + mt, z = z₀ + nt.
Eliminando il parametro t (quando le componenti del direttore sono tutte non nulle) si ottiene la forma simmetrica delle equazioni della retta, in cui ciascun rapporto tra lo scostamento di una coordinata e la corrispondente componente del direttore è uguale agli altri due. In alternativa, una retta può essere vista come intersezione di due piani non paralleli: il sistema delle loro equazioni rappresenta tutti e soli i punti comuni, cioè la retta.
Due rette nello spazio possono trovarsi in posizioni reciproche più ricche rispetto al piano. Sono parallele se i loro vettori direttori sono proporzionali; sono incidenti se hanno un punto in comune e direzioni diverse; sono coincidenti se condividono punti e direzione; infine, caso tipico dello spazio, possono essere sghembe, cioè non parallele e prive di punti comuni, perché non giacciono in uno stesso piano. La condizione di ortogonalità tra due rette si controlla con il prodotto scalare nullo dei direttori.
Anche le posizioni reciproche tra retta e piano si studiano confrontando il vettore direttore della retta con il vettore normale del piano. La retta è parallela al piano quando il direttore è perpendicolare al normale (prodotto scalare nullo) e non è contenuta nel piano; è contenuta nel piano se, oltre a questa condizione, un suo punto appartiene al piano; è incidente quando direttore e normale non sono perpendicolari, e in tal caso esiste un unico punto di intersezione, che si trova sostituendo le equazioni parametriche nell'equazione del piano e ricavando t.
{x=x0+l ty=y0+m tz=z0+n t\begin{cases} x = x_0 + l\,t \\ y = y_0 + m\,t \\ z = z_0 + n\,t \end{cases}⎩⎨⎧​x=x0​+lty=y0​+mtz=z0​+nt​

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.

x−x0l=y−y0m=z−z0n\frac{x - x_0}{l} = \frac{y - y_0}{m} = \frac{z - z_0}{n}lx−x0​​=my−y0​​=nz−z0​​

Forma simmetrica della retta

Si ottiene eliminando il parametro t quando le componenti del direttore sono tutte non nulle.

v⃗⋅n⃗=l a+m b+n c=0 ⟹ r∥π\vec{v} \cdot \vec{n} = l\,a + m\,b + n\,c = 0 \ \Longrightarrow\ r \parallel \piv⋅n=la+mb+nc=0 ⟹ r∥π

Parallelismo retta-piano

La retta è parallela al piano quando il vettore direttore è perpendicolare al vettore normale del piano.

Esempio svolto

Intersezione tra retta e 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).

  1. 01Controllo del parallelismo

    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.

  2. 02Sostituzione nelle equazioni del piano

    Sostituisco x, y, z (in funzione di t) nell'equazione di π.

  3. 03Risoluzione in t

    Semplifico: 1 + t + 2t + 1 − t − 6 = 2t − 4 = 0, da cui t = 2.

  4. 04Coordinate del punto

    Reinserisco t = 2 nelle equazioni parametriche.

Risultato: La retta e il piano si intersecano nell'unico punto P(3; 4; 1).

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: saper passare dalle equazioni parametriche a quelle cartesiane (e viceversa) e riconoscere il vettore direttore è centrale per i problemi di intersezione e di posizione reciproca.
  • Focus Esame di Stato: la classificazione di due rette (parallele, incidenti, coincidenti o sghembe) è un quesito tipico; va giustificata confrontando direttori e cercando eventuali punti comuni.

Errori frequenti

  • Trattare nello spazio due rette non parallele come se fossero necessariamente incidenti: nello spazio possono essere SGHEMBE, cioè non incontrarsi pur avendo direzioni diverse.
  • Per l'intersezione retta-piano, dimenticare di sostituire le tre espressioni parametriche nell'equazione del piano per ricavare il valore di t, e poi di reinserire t nelle parametriche per ottenere il punto.

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))

§ 04

La superficie sferica#

●●○StandardLPOSA-matematica-geometriaLPEquazione della sfera

Sfera con centro e raggio

Superficie sferica: centro C e raggio rFigura geometrica (3D), CCx1x2x3

Punti chiave

La superficie sferica è il luogo geometrico dei punti dello spazio che hanno distanza costante (il raggio r) da un punto fissato (il centro C). Imponendo, tramite la formula della distanza, che un punto generico P(x; y; z) disti r dal centro C(α; β; γ), si ottiene l'equazione (x − α)² + (y − β)² + (z − γ)² = r². È la traduzione tridimensionale esatta dell'equazione della circonferenza nel piano: dove la circonferenza aveva due quadrati, la sfera ne ha tre.
Sviluppando i quadrati si arriva alla forma generale x² + y² + z² + ax + by + cz + d = 0, in cui i coefficienti dei termini di primo grado sono legati alle coordinate del centro e il termine noto al raggio. Il centro ha coordinate (−a/2; −b/2; −c/2) e il quadrato del raggio è r² = (a/2)² + (b/2)² + (c/2)² − d. Un'equazione di questa forma rappresenta una sfera reale solo se la quantità sotto questa espressione è positiva: se è nulla si riduce a un punto, se è negativa non esiste alcun luogo reale.
Le posizioni reciproche tra una sfera e un piano si studiano confrontando la distanza del centro dal piano con il raggio: se la distanza è maggiore del raggio il piano è esterno, se è uguale al raggio il piano è tangente (in un solo punto), se è minore del raggio il piano è secante e l'intersezione è una circonferenza. Quest'ultima è l'analogo spaziale dell'intersezione tra retta e circonferenza nel piano e si calcola proprio con la formula della distanza punto-piano già introdotta.
Per scrivere l'equazione di una sfera bastano dati che individuino centro e raggio: ad esempio centro e raggio assegnati, oppure centro e un punto di passaggio (il raggio è la loro distanza), oppure gli estremi di un diametro (il centro è il loro punto medio e il raggio la semidistanza). Saper riconoscere quale dato fornisce il centro e quale il raggio è la chiave per impostare correttamente il problema.
(x−α)2+(y−β)2+(z−γ)2=r2(x - \alpha)^2 + (y - \beta)^2 + (z - \gamma)^2 = r^2(x−α)2+(y−β)2+(z−γ)2=r2

Sfera (forma canonica)

Luogo dei punti a distanza r dal centro C(α; β; γ); è l'estensione spaziale dell'equazione della circonferenza.

x2+y2+z2+ax+by+cz+d=0x^2 + y^2 + z^2 + ax + by + cz + d = 0x2+y2+z2+ax+by+cz+d=0

Sfera (forma generale)

Forma ottenuta sviluppando i quadrati; i coefficienti di primo grado individuano il centro, il termine noto è legato al raggio.

C(−a2; −b2; −c2),r=a24+b24+c24−dC\left( -\frac{a}{2};\ -\frac{b}{2};\ -\frac{c}{2} \right), \qquad r = \sqrt{\frac{a^2}{4} + \frac{b^2}{4} + \frac{c^2}{4} - d}C(−2a​; −2b​; −2c​),r=4a2​+4b2​+4c2​−d​

Centro e raggio dalla forma generale

Centro e raggio si leggono dai coefficienti; la sfera è reale solo se il radicando è positivo.

Esempio svolto

Centro e raggio dalla forma generale

Data l'equazione x² + y² + z² − 2x + 4y − 6z + 5 = 0, verifica che rappresenta una superficie sferica e determinane il centro e il raggio.

  1. 01Lettura dei coefficienti

    Confronto con x² + y² + z² + ax + by + cz + d = 0: ottengo a = −2, b = 4, c = −6, d = 5.

  2. 02Coordinate del centro

    Il centro è (−a/2; −b/2; −c/2).

  3. 03Quadrato del raggio

    Applico r² = (a/2)² + (b/2)² + (c/2)² − d.

  4. 04Raggio e conclusione

    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.

Obiettivo Maturità

  • Focus Esame di Stato: dall'equazione generale x² + y² + z² + ax + by + cz + d = 0 occorre saper estrarre rapidamente centro e raggio, e riconoscere quando l'equazione rappresenta davvero una sfera (r² > 0).
  • Focus Esame di Stato: la condizione di tangenza tra piano e sfera (distanza del centro dal piano uguale al raggio) è un tema ricorrente, spesso combinato con la distanza punto-piano.

Errori frequenti

  • Sbagliare il segno nel ricavare il centro dalla forma generale: il centro è (−a/2; −b/2; −c/2), con i segni OPPOSTI rispetto ai coefficienti, non (a/2; b/2; c/2).
  • Assumere che ogni equazione del tipo x² + y² + z² + … = 0 rappresenti una sfera: bisogna verificare che r² = (a/2)² + (b/2)² + (c/2)² − d sia positivo.

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))

Contenuti

Sezione -- / 04

    • 01Coordinate cartesiane, distanza e punto medio○
    • 02Il piano nello spazio◐
    • 03La retta nello spazio e le posizioni reciproche●
    • 04La superficie sferica◐

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Geometria analitica nello spazio

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Riferimenti e fonti

Fonti

Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM)

  • Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento

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