向量、內積與外積及空間座標幾何

二面角(dihedral angle)

翻開一本書,兩片封面沿書脊相接,彼此夾出一個角;把一張紙摺起,摺痕有著可量度的銳利程度。兩個沿共同邊相接的平坦半平面之間的那個開口,就是二面角。它是兩線之間普通夾角在三維中的表親,是量度兩平面相對傾斜程度的天然方式。

兩個不平行的平面相交於一條線。二面角要在垂直於該交線的切片中量度:在那個橫截面裡,每個平面都顯現為從邊發出的一條射線,那兩射線間的角就是二面角。最快的算法用法向量。若兩平面的法向量為 n_1 與 n_2,則 cos theta = (n_1 . n_2) / (|n_1| |n_2|)。因為每個平面有兩個相反的法向量,這可能傳回該角或其補角,故通常用絕對值取銳角版本:cos theta = |n_1 . n_2| / (|n_1| |n_2|)。特例立刻掉出:法向量平行時兩平面平行(theta = 0),法向量垂直時兩平面垂直,即 n_1 . n_2 = 0。

二面角在幾何與立體世界相接處無所不在——屋頂的傾斜、摺箱蓋片的角度、晶體與分子中的楔角。要記住的一個陷阱是兩法向量的歧義:法向量間的夾角可能正是你要的角,也可能是它的補角(兩者和為 180 度)。事先決定你要的是銳開口還是鈍開口,再用絕對值或一張草圖正確地選。內積公式給你一個數;至於要的是哪個開口,得由你提供幾何判斷。

求平面 x + y = 1(法向量 n_1 = (1, 1, 0))與 x - y = 3(法向量 n_2 = (1, -1, 0))的夾角。則 n_1 . n_2 = (1)(1) + (1)(-1) + 0 = 0,故 cos theta = 0,兩平面以 90 度相交——它們垂直。若改為 n_2 = (1, 0, 0),則 cos theta = 1/(sqrt(2)*1) = 1/sqrt(2),得 theta = 45 度。

兩平面的夾角等於它們法向量的夾角。

兩平面的夾角等於它們法向量的夾角,但每個平面有兩個相反的法向量,故公式可能給你補角——取內積的絕對值以保留銳角,若要的是鈍角,再對照圖形確認。

又称
angle between two planes兩平面的夾角