空间直角坐标系曲面是柱面得方程

《解析几何》－Chapter 4§1 柱面cylinderContents一、柱面的概念二、柱面的方程三、柱面的判定定理四、空间曲线的射影柱面平面v222x y a+=zxy o圆柱面v那族平行直线中的每一条直线，都叫做柱面的母线.定义4.1.1在空间，由平行于定方向且与一条定曲线相交的一族平行直线所生成的曲面叫做柱面（cylinder ），定方向叫做柱面的方向，定曲线叫做柱面的准线（directrix ），v准线准线母线v说明：柱面的准线不是惟一的，每一条与柱面的母线都相交的曲线都可以作为柱面的准线.一、柱面的概念x zy 0准线母线准线v注:一般柱面的准线不惟一,可用一张不平行于母线的平面与柱面相交得到的交线为准线.1 柱面的一般方程Ⅰ 准线方程()()12,,0,,0F x y z C F x y z =⎧⎪⎨=⎪⎩：Ⅱ 母线l 的方向数：,,X Y Z普通方法1M vCl设M 1(x 1, y 1, z 1)为准线上任意一点,①写出母线族方程:111x x y y z z X Y Z---==②写出参数x 1, y 1, z 1的约束条件:(,,),(,,).1111211100F x y z F x y z =⎧⎨=⎩(,,)0F x y z =③消去参数x 1, y 1, z 1得一个三元方程:1 柱面的一般方程()()12,,0,,0F x Xt y Yt z Zt F x Xt y Yt z Zt ---=⎧⎪⇒⎨---=⎪⎩Ⅰ 准线方程()()12,,0,,0F x y z C F x y z =⎧⎪⎨=⎪⎩：Ⅱ 母线l 的方向数：,,X Y Z()()11112111,,0,,0F x y z F x y z =⎧⎪⇔=⎨⎪⎩分析：()1111 ,,M x y z C ∈∀11M CM l∈⎧⇔⎨∈⎩t=(),,0F x y z ⇒=1M vCl母线方程111x x y y z z X Y Z---==例1柱面的准线方程为，而母线的方向数是，求这柱面的方程.2222221222⎧++=⎪⎨++=⎪⎩x y z x y z ，1,0,1-解:设M 1(x 1, y 1, z 1)为准线上任意一点,111101x x y y z z ---==-(x 1, y 1, z 1为参数)且22211122211111222⎧++=⎪⎨++=⎪⎩,(),x y z x y z 为消参数x 1, y 1, z 1,可设111101x x t y y z z ---===-则111,,=+==-x x t y y z z t 代入(1)式得2222221222⎧+++-=⎪⎨+++-=⎪⎩()(),()(),x t y z t x t y z t 消去参数t ,并化简得所求柱面方程:22()1++=x z y 222210.+++-=x y z xz 即约束方程例2：已知圆柱面的轴为点(1,-2,1)在此圆柱面的方程.11,122x y z -+==--v 轴0(0,1,1)M -1(1,2,1)M -分析普通方法:关键:求圆柱面的准线(圆)方程.{,,},=--122v (,,)-0011M 圆柱面的轴:以M 0为球心, M 0M 1为半径的球面球面:平面:过点M 1为与轴垂直的平面()()()--+--=122210x y z ()()+-++=2221114x y z 圆柱面的准线方程:()()⎧+-++=2221114x y z =0114M M例1柱面的准线方程为，而母线的方向数是，求这柱面的方程.2222221222x y z x y z ⎧++=⎪⎨++=⎪⎩，1,0,1-例2已知圆柱面的轴为，点在此圆柱面上，求这个圆柱面的方程.11122x y z -+==--()1,2,1P -二、柱面的方程还有其它方法吗？vMr 轴圆柱面:设圆柱面的轴线为000---==x x y y z z X Y Z0000(,,)M x y z 其中:0000(,,)M x y z 为轴线上的定点,{,,}=v X Y Z 为轴线方向向量.(,,)M x y z 是圆柱面上任意点①0⨯⇔= M M vvr ①已知轴线及半径②已知轴线及柱面上一定点M 1②010M M v v v vM M ⨯⨯⇔==1111(,,)M x y z解:圆柱面的轴的方向向量:{1,2,2},v --=0(0,1,1)M -为轴上定点.(,,)M x y z 设是圆柱面上任意点,且点M 1(1,-2,1)在此圆柱面上,则点M 与点M 1在到轴的距离相等,即:001M M M M v vv v⨯⨯=010 M M M v v M ⇒⨯=⨯ kj i 1 1x y z -+1 -2 -2⇒k j i 1 3 2-1 -2 -2=⇒例2已知圆柱面的轴为，点在此圆柱面上，求这个圆柱面的方程.11122x y z -+==--()11,2,1M -12222=+by a x zxyo 椭圆柱面（直角坐标系）方程的形式与柱面的图形特征之间有联系吗？三、柱面的判定定理三、柱面的判定定理定理4.1.1在空间直角坐标系中，只含有两个元（坐标）的三元方程所表示的曲面是一个柱面，它的母线平行于所缺元（坐标）的同名坐标轴。

空间直交坐标系————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：时间安排第 1 周，第１次课章节名称§7. 1 空间直角坐标系及曲面，曲线的方程教学目的1、理解空间直角坐标系，理解柱面的定义；2、会求两点之间的距离，会求空间曲线在坐标面上的投影教学重点与难点教学重点：1、点的坐标，两点的距离；2、柱面方程。

教学难点：空间曲线在坐标面上的投影教学内容与过程设计一．空间直角坐标系1．点的坐标●简述为什么要建立空间直角坐标系●讲清空间直角坐标系的构成，特别要说明三条坐标轴习惯上符合右手系规则●三个坐标面，八个卦限●空间一点在三个坐标轴的投影，在三个坐标面的投影●空间一点与有序数组的关系，点的坐标2。

空间两点间的距离例１求证以M1(4, 3, 1)、M2 (7, 1, 2)、M3 (5, 2, 3)三点为顶点的三角形是一个等腰三角形.解因为 | M1M2|2 =(7-4)2+(1-3)2+(2-1)2 =14,| M2M3|2 =(5-7)2+(2-1)2+(3-2)2 =6,| M1M3|2 =(5-4)2+(2-3)2+(3-1)2 =6,所以|M2 M3|=|M1M3|,即∆M1 M2 M3为等腰三角形.例２在z轴上求与两点A(-4, 1, 7)和B(3, 5,-2)等距离的点.解设所求的点为M(0, 0,z),依题意有|MA|2=|MB|2,即 (0+4)2+(0-1)2+(z-7)2=(3-0)2+(5-0)2+(-2-z)2.解之得914=z,所以,所求的点为)914,0,0(M.二．曲面及方程１．曲面方程的概念２．柱面方程●柱面的定义，准线，母线●圆柱面，椭圆柱面，双曲柱面，抛物柱面的方程及图形三．空间曲线及方程１．空间曲线的一般方程２．空间曲线的参数方程３．空间曲线在坐标面上的投影教学内容与过程设计●定义●求投影的一般方法●求投影的观察法四．习题中的难点●Ｐ１０―６（１）该题难在作图及选参数例题选讲：空间两点间的距离例3设P在x轴上, 它到)3,2,0(1P的距离为到点)1,1,0(2-P的距离的两倍, 求点P的坐标.例4求曲线222420x y zz y⎧++=⎨-=⎩分别在xoy面与zox面上的投影的方程例5将下列曲线的一般方程化为参数方程2221x y zx y⎧++=⎨+=⎩教学后记**“教学后记”是授课完毕之后，教师对授课准备情况、授课过程及授课效果的回顾与总结，因此，教师应及时手写补充完整本部分内容。

特殊曲面及其方程--柱面、锥面、旋转面引言空间解析几何所研究的曲面主要是二次曲面。

但是也可以研究一些非二次特殊曲面。

本论文中将利用直线或曲线适合某几何特征来建立一些曲面的方程。

主要讨论由直线产生的柱面和锥面，曲线产生的旋转曲面这三大类。

1.柱面定义1：一直线平行于一个定方向且与一条定曲线Γ相交而移动时所产生的曲面叫做柱面（图1），曲线Γ作叫做准线。

构成柱面的每一条直线叫做母线。

显然，柱面的准线不是唯一的，任何一条与柱面所有母线都相交的曲线都可以取做柱面的准线，通常取一条平面曲线作为准线。

特别地，若取准线Γ为一条直线，则柱面为一平面，可见平面是柱面的特例。

下面分几种情形讨论柱面的方程。

1.1 母线平行于坐标轴的柱面方程选取合适的坐标系，研究对象的方程可以大为化简。

设柱面的母线平行于z 轴，准线为Oxy 面上的一条曲线，其方程为：(),00f x y z =⎧⎪⎨=⎪⎩图1u v又设(),,P x y z 为柱面上一动点（图2），则过点P 与z 轴平行的直线是柱面的一条母线，该母线与准线Γ的交点记为(),,0M x y ，因点M 在准线上，故其坐标应满足准线方程，这表明柱面上任一点(),,P x y z 的坐标满足方程(),0f x y =反过来，若一点(),,P x y z 的坐标满足方程(),0f x y =，过P 作z 轴的平行线交Oxy 面于点M ，则点M 的坐标(),,0x y 满足准线Γ的方程(),0,0f x y z ==，这表明点M 在准线Γ上，因此直线MP 是柱面的母线 (因为直线MP 的方向向量为{}{}0,0,||0,0,1z )，所以点P 在柱面上。

综上所述，我们有如下结论：母线平行上于z 轴，且与Oxy 面的交线为(),0,0f x y z ==的柱面方程为：(),0f x y = （1）它表示一个无限柱面。

若加上限制条件a z b ≤≤，变得它的一平截段面。

同理，母线平行于x 轴，且与Oyz 面的交线为(),0,0g y z x ==的柱面方程为(),0g y z =；母线平行于y 轴，且与Ozx 面的交线为(),0,0h x z y ==的柱面方程为(),0h x z =。

证明一个曲面方程表示柱面的两种有效途径
柱面是在数学上十分重要的几何体，它就像圆形柱体，通常在二维投影中表示为一条曲线。

它可以由曲面方程表示，那么有哪些有效的途径可以证明它呢？
首先，可以使用柱面的特征方程来证明它。

特征方程是柱面所有经过其上任意一点的平面所共有的方程，这个方程一般为 ax+by+cz=d ，其中有四个常数 a 、b 、 c 和 d 。

因此，根据这个方程的参数值，可以判断它是否代表一个柱面。

其次，也可以使用柱面的距离函数来证明它。

距离函数是描述柱面某点到中心点距离之间的关系式，一般来说，其形式为 (x - a)^2 + (y - b)^2 + (z - c)^2 = d ，其中 a 、 b 、 c 和 d 分别是柱面中心点的坐标和其距离的平方。

根据这个函数的参数值，可以判断它是否代表一个柱面。

以上就是用一个曲面方程来表示柱面的两种有效途径。

他们使用不同的数学工具，将矩阵与向量转化为可实现的关联，从而轻松解决柱面的证明问题。

柱面坐标求曲面积分在数学中，曲面积分是一种用来计算曲面上某个向量场的表面积的方法，通常用于物理学、工程学和其他领域的问题求解。

柱面坐标是三维笛卡尔坐标系的一种扩展，常用于描述圆柱面的情况。

本文将介绍如何使用柱面坐标来求解曲面积分的问题。

柱面坐标简介柱面坐标是一种在三维空间中描述点的坐标系，通常用来描述圆柱面上的点。

柱面坐标包括径向距离r、极角$\\theta$和高度z三个参数。

其中，r代表点到z轴的距离，$\\theta$代表点在x−y平面上的极角，z代表点的高度。

在柱面坐标系中，一个点的坐标可以表示为$(r, \\theta, z)$。

柱面坐标系与笛卡尔坐标系的转换公式如下：$$ x = r \\cos\\theta, \\quad y = r \\sin\\theta, \\quad z = z $$曲面积分公式曲面积分可以分为第一类曲面积分和第二类曲面积分。

第一类曲面积分是对曲面上标量场的积分，通常表示为：$$ \\iint_S f(x, y, z) dS $$其中，f(x,y,z)为曲面上的标量场，dS代表曲面元素面积。

第二类曲面积分是对曲面上向量场的积分，通常表示为：$$ \\iint_S \\vec{F} \\cdot d\\vec{S} $$其中，$\\vec{F}$为曲面上的向量场，$d\\vec{S}$代表曲面元素法向量。

柱面坐标中的曲面积分在柱面坐标系中求解曲面积分时，需要将曲面上的函数用柱面坐标系表示，并计算出曲面元素面积dS或曲面元素法向量$d\\vec{S}$。

对于柱面坐标系，曲面元素面积dS的计算公式如下：$$ dS = r \\sqrt{(\\frac{\\partial z}{\\partial r})^2 + (\\frac{\\partialz}{\\partial \\theta})^2 + 1} dr d\\theta $$曲面元素法向量$d\\vec{S}$的计算公式如下：$$ d\\vec{S} = (\\frac{\\partial z}{\\partial r} \\hat{r} + \\frac{\\partialz}{\\partial \\theta} \\hat{\\theta} - r \\hat{z}) dr d\\theta $$通过计算曲面元素面积dS或曲面元素法向量$d\\vec{S}$，可以将曲面积分转化为柱面坐标系下的二重积分或三重积分来求解。

一、柱面及其方程平行定直线并沿定曲线移动的直线形成的轨迹称为柱面。

定曲线称为准线，直线称为母线。

准线与母线不唯一。

以平行于坐标轴的直线为母线的柱面方程为由两个变量描述的方程，即在空间直角坐标系中，由两个变量描述的方程都表示母线平行于其不包含的变量对应的坐标轴的柱面。

平面是一类特殊的柱面。

二、锥面及其方程在空间，通过一定点且与定曲线（定点在曲线外）相交的一族直线所生成的曲面叫做锥面。

直线称为锥面的母线，定点称为锥面的顶点，定曲线称为锥面的准线。

锥面由它的顶点和准线唯一确定，准线不唯一且所有母线都相交于顶点。

圆锥面是旋转曲面，它的准线可以取为垂直于旋转轴的圆;同时，圆锥面也可以看成是由所有经过顶点，并与中心轴成相同角度的直线形成的曲面。

三、直纹面由一族直线所形成的曲面称为直纹面。

比如，柱面、单叶双曲面、双曲抛物面、锥面都可以由直线生成，所以它们的图形都为直纹面图形。

一般直纹面方程可以分解为相等的两两一次项或零次项乘积。

比如单叶双曲面方程因此，根据比例关系，可以将上述等式用如下两个式子来描述其中u,v为实数。

上面两组方程表示的都是直线，当u,v取不同的值时，构成不同的直线，所有这样的直线构成的直线族描述单叶双曲面的图形。

四、常见二次曲面及其标准方程三元二次方程（二次项系数不全为 0 ）所描述的图形通常为二次曲面。

基本的二次曲面类型有：椭球面（特殊情况为旋转椭球面、球面）、抛物面（椭圆抛物面、双曲抛物面，特殊为旋转抛物面）、双曲面（双叶双曲面、单叶双曲面，特殊为旋转双曲面）、锥面（圆锥面）。

适当选取直角坐标系，或者通过坐标的平移、旋转变换可得它们的标准方程。

【注】：对于教材、课件中列出的二次曲面的标准方程结构和几何图形特征要非常熟悉，尤其与坐标轴、坐标面的位置关系要非常清楚！看到方程要能够想到图形，看到相应的图形名称，要能够直接写出相应结构的方程。

简单的三元⽅程及其图象简单的三元⽅程及其图象班级：⽢肃省兰州⼀中⾼⼆⼗三班姓名：詹同吴志朋王⽂韬韩⽂琛王镜权贺智桐⾼飞关键词：三元⽅程空间直⾓坐标系函数图象内容摘要：在⽇常⽣活中，我们经常会遇到各种曲⾯，例如反光镜的曲⾯、管道的外表⾯以及锥⾯等等。

好奇的你⼀定会产⽣⼀个疑问：曲⾯的⽅程是什么呢？当然，这就涉及到⼀些简单的三元⽅程及其图象的知识了。

经过我们课余时间对这个问题的思考，探究与学习，我们取得了⼀定的研究成果。

正⽂：⾸先我们给出曲⾯⽅程的概念：象在平⾯解析⼏何中把平⾯曲线当作动点的轨迹⼀样，在空间解析⼏何中，我们把曲⾯都看成点的⼏何轨迹，在这样的意义下，如果曲⾯S与三元⽅程F（x,y,z）=0有下述关系：（1）曲⾯S上任⼀点的坐标都满⾜⽅程（1）（2）不在曲⾯S上的坐标都不满⾜⽅程（1）那么，⽅程(1)就叫做曲⾯的⽅程，⽽曲⾯S就叫做⽅程的图形当然，要想深⼊地了解曲⾯的⽅程，⾸先我们必须认识平⾯，空间曲线，空间直线的三元⽅程。

下⾯我们就来逐⼀认识它们。

⼀、平⾯的点法式⽅程如果⼀⾮零向量垂直于⼀平⾯，这个向量就叫做该平⾯的法线向量，简称法向量。

平⾯上的任⼀向量均与该平⾯的法向量垂直。

因为过空间⼀点可以作⽽且只能作⼀平⾯垂直于⼀已知直线，所以当平⾯Π上⼀点和它的⼀个法线向量为已知时，平⾯Π的的位置就完全确定了。

下⾯我们来建⽴平⾯Π的⽅程。

设是平⾯Π上的任⼀点那么平⾯Π上的向量必与平⾯Π的法线向量n垂直，即它们的数量积等于零：由于，，所以有（1）这就是平⾯Π上任⼀点M的坐标x、y、z所满⾜的⽅程。

反过来，如果不在平⾯Π上，那末向量与法线向量不由此可知，平⾯Π上的任⼀点的坐标x、y、z都满⾜⽅程（1）；不在⼆、平⾯的⼀般⽅程由于平⾯的点法式⽅程（1）是x、y、z的⼀次⽅程，⽽任⼀平⾯都反过来，设有三元⼀次⽅程（2）我们任取满⾜该⽅程的⼀组数，即（3）把上述两等式相减，得（4）把它和平⾯的点法式⽅程（1）作⽐较，可以知道⽅程（4）是通过点三、空间曲线的⼀般⽅程空间曲线可以看做两个曲⾯的交线，设F(x,y,z)=0和G(x,y,z)=0是两个曲⾯的⽅程，它们的交线为C（图）因为曲线C上的任何点的坐标F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0（1）反过来，如果点M不在曲线C上，那么它不可能同时在两个曲⾯上，所四、空间直线的⼀般⽅程空间直线可看成两平⾯和的交线。