高等数学-几种常见的二次曲面共26页

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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
几种常见的ห้องสมุดไป่ตู้次曲面
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴

椭球面、抛物面、双曲面、锥面 适当选取直角坐标系可得它们的标准方程,下面仅 就几种常见标准型的特点进行介绍 .
研究二次曲面特性的基本方法: 截痕法
相应地平面被称为一次曲面．
如 2x y 3z 0
20
1. 椭球面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
( a,b, c为正数)
(1)范围：
x a, y b, z c
化简得 2x 6 y 2z 7 0
说明: 动点轨迹为线段 AB 的垂直平分面. 显然在此平面上的点的坐标都满足此方程, 不在此平面上的点的坐标不满足此方程.F( x, y, z ) = 0 有下述关系: (1) 曲面 S 上的任意点的坐标都满足此方程; (2) 满足此方程的点都在曲面 S 上,
x2 a2
z c
2 2
1
y12 b2
(实轴平行于x 轴；
y y1
虚轴平行于z 轴）
z y
25
2) y1 b 时, 截痕为相交直线: x z 0 ac y b (或 b)
3) y1 b时, 截痕为双曲线:
x2 a2
z2 c2
1
y12 b2
0
y y1
(实轴平行于z 轴;
虚轴平行于x 轴）
z
得到)
28
作业
习题册 第七章第五节
2
z12
)
1
z z1
同样 y y1 ( y1 b ) 及
也为椭圆.
的截痕
(4) 当 a＝b 时为旋转椭球面; 当a＝b＝c 时为球面.
22
2. 抛物面 (1) 椭圆抛物面
x2 y2 z ( p , q 同号) 2p 2q
特别,当 p = q 时为绕 z 轴的旋转抛物面.

(1)
所确定的曲面称为椭球面.
用Oxy坐标平面(即z=0)截所给曲面，截痕为椭圆
x2 y2 2 2 1, a b z 0.
用平行于Oxy坐标平面的平面z=h截所给曲面，截
痕为椭圆
x2 y2 h2 2 2 1 2 , a b c z h.
x y 当h=±c时，截痕为 2 2 0，即截痕缩为一 a b 点.当|h|>c时，截痕为虚椭圆，说明椭球面与平面
用Oyz坐标面截所给曲面，截痕方程为
y2 z2 2 2 1, b c x 0.
无图形.
用平面x=h截所给曲面，其截痕方程为
y 2 z 2 h2 2 2 2 1, b c a x h.
b 2 当|h|>a时，其图形为椭圆，半轴分别为 h a2 a c 2 2 和 h a ； a
方程
x2 y2 z ( p, q同号) 2 p 2q
(5)
所确定的曲面为椭圆抛物面. 若p>0，q>0.利用截痕法可作出其图形.
六、双曲抛物面
x2 y2 z ( p, q同号) 方程 2 p 2q
确定的曲面为双曲抛物面.
(6)
设p>0，q>0.
用Oxy坐标面截所给曲面，截痕为两条直线
由方程
x2 y2 z 2 2 2 1 2 a b c
(3)
所确定的曲面称为双叶双曲面.
用Oxy坐标面截所给曲面，得截痕为双曲线
x2 y2 2 2 1, a b z 0.
用平面z=h截所给曲面，得截痕为双曲线
x2 y2 Βιβλιοθήκη 2 2 2 1 2 , a b c z h.

z0
2020/4/4
67
图36：以下函数的图形：
z sin x cos y cosx y
0 x ,0 y
2
2
z sin x cos y cosx y 0 x ,0 y
2
2
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68
图37：锥面 z x2 y2 被柱面 z 2 2x
割下部分的曲面图形如下：
处的切平面及法线的图形如下：
P1,1,1
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40
图9：
（9）、 x t sin t, y 1 cos t, z 4 sin t , 2
在 1，1，2 2 处的切线和法平面如下 ：
2
x t sin t, y 1 cost, z 4sin t , 2
在 1，1，2 2 处的切线和法平面如下 ：
34
图6：
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35
图7：
（7）、x 0, y 0, z 0, y 1, z 4 2x2 y 2 ;
所围 图形如下：
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36
图7：
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37
图7：
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38
图7：
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39
图8：
（8）、椭球面 2x2 3y2 z2 6 在点 P 1,1,1
其中： p, q 为正常数。
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9
椭圆抛物面的图形
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10
双曲抛物面（马鞍面） 方程
方程： 其中：
x2 y2 2z
pq p, q 为正常数。
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双曲抛物面（马鞍面） 图形
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12

用平行于Oxy面的平面z=h截所给曲面，截痕为
x2 y2 1, 2 ph 2qh z h.
当h<0时，是实轴与y轴平行的双曲线.
用Oxz坐标面截所给曲面，截痕为抛物线
2 x 2 pz, y 0. 它是以z轴为对称轴，开口朝上的抛物线.
用Oyz坐标面截所给曲面，截痕为抛物线
因此，椭球面介于 a x a .
二、单叶双曲面
x2 y2 z 2 由方程 2 2 2 1 a b c
所确定的曲面称为单叶双曲面.
(2)
用平行于Oxy坐标面的平面截所给曲面，得截 痕为椭圆
x2 y2 h2 1 2 , 2 2 a b c z h.
当|h|=a时，截痕为一个点；
当|h|<a时为虚椭圆，即无图形. 可见所给图形介于| x | a 的范围内，因此图形为
两支. 常称(a,0,0)和(–a,0,0)为双叶双曲面的顶点.
用Oxz坐标面截所给曲面，得截痕为双曲线
x2 z 2 2 2 1, a c y 0.
用平面y=h截所给曲面，得截痕为双曲线
2 x2 z 2 h 2 2 1 2 , a c b y h.
由上述截痕的分析，可画出双叶双曲面的图形.
四、二次锥面
x2 y2 z 2 方程 2 2 0 2 a b c 所确定的曲面称为二次锥面. (4)
五、椭圆抛物面
当|h|<a时，截痕为双曲线.它的实轴平行于y轴， 虚轴平行于z轴.
当|h|>a时，截痕为双曲线，它的实轴平行于z轴，
虚轴平行于y轴.
当|h|=a时，截痕为两条直线
y z y z 0, 0. b c b c

椭球面
椭球面是一种中心在某一点的平面距 离都相等的点集，其形状类似于椭圆， 但具有三个不同轴。在几何学中，椭 球面常用于描述某些天体的形状。
在物理学中的应用
旋转抛物面
旋转抛物面是抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面，在物理学中常用于描述光学透镜的形状和光学系统的成像原理。
双曲面
双曲面是中心在某一点的平面距离不相等的点集，分为椭圆双曲面和双曲线双曲面两种。在物理学中，双曲面常 用于描述电磁波的传播和波动现象。
性分析。
05
总结与展望
总结
二次曲面图形分类
二次曲面图形是高等数学中一个重要的知识点，根据其方程形式的不同可以分为椭球面、 抛物面和双曲面等类型。这些不同类型的曲面在几何形状、性质和应用方面都有所不同。
二次曲面图形的性质
每种类型的二次曲面图形都有其独特的性质，如对称性、曲率、渐近线等。了解这些性质 有助于更好地理解二次曲面图形的几何特征，为后续的学习和应用打下基础。
二次曲面图形在科技领域的应用前景
随着科技的发展，二次曲面图形在科技领域的应用前景将更加广阔。例如，在计算机图形学中，二次曲面图形可以用 于制作更加逼真的三维模型；在航天工程中，可以利用二次曲面图形来设计更加优化的飞行器外形。
二次曲面图形的教育价值
在高等数学教育中，二次曲面图形是一个重要的知识点，对于培养学生的空间想象能力和几何直觉具有 重要意义。未来，随着教育理念和教学方法的改进，二次曲面图形的教育价值将得到更加充分的体现。
04
几何特性
双曲面的几何特性包括对称性和 旋转对称性，它在三维空间中呈 现出规则的形状。
01 03
总结词
双曲面是一种常见的二次曲面图 形，它由两个主轴和两个副轴组 成，形状类似于马鞍形。

④ 当 c=b 时，此时为旋转曲面
x2 a2
y2 c2
z2 c2
1
2020年6月26日星期五
《高等数学》第九章
17
六、双曲面
1、单叶双曲面
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
z
x
当 a=b 时为旋转单叶双曲面。
2020年6月26日星期五
《高等数学》第九章
o y
18
x2 y2 z2 a2 b2 c2 k
第四节 几种常见的二次曲面
一、问题的提出 二、柱面 三、锥面 四、旋转曲面 五、椭球面 六、双曲面 七、抛物面 八、一般的二次曲面 九、小结与思考判断题
2020年6月26日星期五
《高等数学》第九章
1
一、问题的提出 (Introduction)
三元二次方程表示的曲面，称为二次曲面。 如球面 ( x 1)2 ( y 2)2 (z 3)2 4
27
5)x2 y2 2 x
)z x y
z
)z x y )z x y
z
xo
y
(6)
o x (5)
z y
x
o
y (7)
x
2020年6月26日星期五
《高等数学》第九章
z
o
y
(8)
28
)z x y
11) y x2
z
z
)z x y x y
)
z
(9) o
y
x
z
o
例5 x2 y2 z2 1 是怎样形成的？
4 94
解：是由
xoy :
x y
绕 y 轴转成
或 yoz : z2 y2 1 绕 y 轴转成

(2) y12 b2 , 实轴与 z 轴平行, 虚轴与 x 轴平行.
(3) y1 b, 截痕为一对相交于点 (0,b,0) 的直线.

x a

z c

0
,
y b

x a

z c

0
.
y b
(4) y1 b,
截痕为一对相交于点 (0,b,0) 的直线.

x a

z c

0
,

x a

z c

0
.
y b
y b
（3）用坐标面 yoz ( x 0)， x x1与曲面相截
均可得双曲线.
平面 x a 的截痕是两对相交直线.
单叶双曲面图形 z
o
y
x
x2 a2

y2 b2

z2 c2

1
双叶双曲面
o
y
x
二、小结

c
2
x2 (c2
z12
)

b2 c2
y2 (c2
z12
)

1
z z1
| z1 | c
同理与平面 x x1 和 y y1 的交线也是椭圆.
椭圆截面的大小随平面位置的变化而变化.
椭球面的几种特殊情况：
(1) a b,
x2 a2

y2 a2

z2 c2

1
旋转椭球面
由椭圆
x2 a2

z2 c2
1绕
z 轴旋转而成．
方程可写为
x2 y2 a2

母线 平行于 z 轴;
准线 xoy 面上的曲线 l1.
方程 G( y, z) 0 表示柱面,
母线 平行于 x 轴;
准线 yoz 面上的曲线 l2.
方程 H (z, x) 0 表示柱面,
y x l1
x z l3
z l2 y
母线 平行于 y 轴;
x
准线 xoz 面上的曲线 l3.
y
9
注:柱面方程与坐标面上的曲线方程容易混淆,应该
例如 :
11
下面我们重点讨论母线在坐标面,旋转轴是坐标轴 的旋转曲面.
建立yoz面上曲线C 绕 z 轴旋转所成曲面的方程:
给定 yoz 面上曲线 C: f ( y, z) 0
z
若点 M1(0, y1, z1) C, 则有 f ( y1, z1) 0
当绕 z 轴旋转时, 该点转到
求旋转曲面方程C时，平面
z oy
27
z
4. 椭圆锥面
z
x2 a2
y2 b2
z2
( a, b 为正数)
在平面 z t 上的截痕为椭圆
x2 (at)2
y2 (bt)2
1,
zt
①
xx
o yy
在平面 x＝0 或 y＝0 上的截痕为过原点的两直线 .
可以证明, 椭圆①上任一点与原点的连线均在曲面上. (椭圆锥面也可由圆锥面经 x 或 y 方向的伸缩变换
绕 y 轴旋转时得旋转曲面方程:
o
f ( y, x2 z2 ) 0
y
例3. 旋转抛物面
x
特点:母线C为抛物线,旋转轴L为抛物线的对称轴。
例如:将yoz平面上的抛物线C: z2 2 py
绕 y 轴旋转一周所产生的抛物面为:

17
柱面举例
z
z
y2 2x
o
y
o
x
x
抛物柱面
（2）椭圆

a
2

z2 c2

1绕
y 轴和
z 轴；
x 0
绕 y 轴旋转
y2 a2

x2 c2
z2

1
旋 转
椭
绕z 轴旋转
x2 a2
y2

z2 c2
1
球 面
（3）抛物线

y
2
2 pz绕
z 轴；
x 0
x2 y2 2 pz 旋转抛物面
15
三、柱面
在平面坐标系 x2 y2 1表示中心在原点的单位圆
如图 设 M( x, y, z),
z
d M1(0, y1, z1)
M F( y, z) 0
(1) z z1
（2）点 M 到 z 轴的距离
o
y
x
d x2 y2 | y1 |
将 z z1, y1 x2 y2 代入
F( y1, z1) 0
10
将 z z1, y1 x2 y2 代入 F( y1, z1) 0
F x, y2 z2 0.
12
例5.试建立顶点在原点,旋转轴为z轴,半顶角为
的圆锥面方程.
解:在yoz面上,直线 L的方程为
z y cot
z
L
M (0, y, z)
绕 z 轴旋转时, 圆锥面的方程为

z x2 y 2 cot
y
令a cot ,两边平方 x
得方程 F x2 y2 , z 0,

x 2 y 2 x1 x 2 y 2 2 pz1
2
3)
z1 =z 时，得到：
x2 y2 z 2 p 2 p
3、 双曲抛物面（鞍型曲面）
方程为：

x2 y2 z （p 与 q 同号） 2 p 2q
4、 双曲面
方程为： 单叶双曲面
x2 y2 z2 2 2 1 a2 b c
具体步骤：
1） 列出平面曲线（母线）方程，比如
f (x0 , y0 ) 0
2） 旋转，根据旋转曲面与平面方程（母线）的关系，列 出空间旋转曲面等式 3） 当 z 0 =z，带入平面曲线方程。
M0 (x0 ,0, z0 )
M (x, y,z)
x0 z0 1 a2 c2
2 2
x 2 y 2 x0
f (x
x f (t ) 若准线的方程是： : y h ( t ) ，母线的方向向量为 z g (t ) x f (t ) lu {l , m, n}时，柱面方程是： : y h ( t ) m u z g (t ) n u
1、 椭圆球
x 方程为： a
1） 当 z=0 时，为过原点的圆，圆点在原点上。
x2 y2 2 1 a2 b
2）
当用平行与 z=0 的平面 z= z1 截双曲面时，
x2 y2 z2 2 2 1 a2 b c
Z= z1
z1 2 x2 y2 1 a2 b2 c2
-------------椭圆
3）
当 y=0 时，在 xoz 平面上为一双曲线
得到旋转面的方程为：
柱面： 是空间的一个曲线，直线 L 沿着 平行移动 所形成的曲面，叫做柱面， 称作柱面的准线，L 称作柱面的母线。

实际上，只要把方程以z轴为基准轴，绕z轴按逆时针
旋转 4 ，即做变换
x 2 ( X Y ), y 2 ( X Y ), z Z
2
2
原方程可化为 Z= 1（X2 -Y2） 2
可知，曲面是一个双曲抛物面。
坐标旋转公式
规定：坐标旋转是以坐标原点为中心进
行的。原右手系法则，规定将坐标系xoy
1. 椭球面
x2

y2
z2
1
( a, b, c均大于0).
a2 b2 c2
易知，|x|≤a, |y|≤b, |z|≤c. 为了了解曲面形状，先
以平行于 xy 面的平面z=z0(|z0|≤c)截曲面，得到 截线方程为
x2 a2

y2 b2
1
z02 c2
,
z z0.
因1 z02 0,
y y0.
5. 双叶双曲面
x2 y2 z2 1 a2 b2 c2
(a, b, c均大于0)
以平行于 xy 面的平面 z=z0 截曲面，所得截线方程为
z
x2 y 2 1 z02 ,
a2 b2
c2
z z0. 双曲线 Nhomakorabeay x0
以平行于xz面的平面 y=y0截曲面， 所得截线方程为
x2 z 2 1 y02 ,
a2 c2
b2
双曲线
y y0.
以平行于 yz 面的平面 x=x0 截曲面，所得截线 方程为：
y2 b2

z2 c2

x02 a2
1, 椭圆
y y0.
6、方程 7、方程 8、方程 9、方程
x 2 y 2 z 2 0 ——（椭圆）锥面 a2 b2 c2

x2 a2
z2 c2
1
分别绕
x
轴和 z 轴旋转一周所生成的旋转曲面方程.
解:绕 x 轴旋转 所成曲面方程为
x2 a2
y2 z2 c2
1
绕 z 轴旋转所成曲面方程为
x2 y2 a2
z2 c2
1
x
y
z
这两种曲面都叫做旋转双曲面.
21
二、柱面
z
引例. 分析方程 x2 y2 R2
表示怎样的曲面 .
开口向下的旋转抛物面. 例3. 旋转椭球面
0
y
特点:母线C为椭圆,轴为椭圆的
x
对称轴. 例如:yoz面上的椭圆:
y2 a2
z2 b2
1
z
绕z轴旋转得旋转曲面方程:
x2 y2 a2
z2 b2
1
绕y轴旋转得旋转曲面方程:
x
y2 a2
x2 z2 b2
1
y
注:旋转曲面的重要特征是其两个变量的平方项系数相等. 19
例4. 试建立顶点在原点, 旋转轴为z 轴, 半顶角为
的圆锥面方程. 解: 在yoz面上直线L 的方程为
z y cot
z L
绕z 轴旋转时,圆锥面的方程为
z x2 y2 cot
令 a cot
两边平方
x
M (0, y, z)
y
z2 a2( x2 y2 )
20
例5.
求坐标面
xoz
上的双曲线
M
解:在 xoy 面上， x2 y2 R2 表示圆C,
C
o
M1
y
在圆C上任取一点M1(x, y,0) , 过此点作 x
平行 z 轴的直线 l , 对任意 z , 点M (x, y, z)

2、练习题: 下列方程在平面、空间直角坐标系中各表示什么图形，并画出其草图。
) x
z
o y
x
x2
2020年5月13日星期三
) y x
z
o
x
y
y x1
6
) x z
z
x2 y2 4
o y
xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、锥面
z
椭圆锥面：
x2 y2 z2 a2 b2 c2 0
y o x
曲面与平面 z = t 相交，得截痕为不同高度、不同大小的椭圆：
x2 y2 z2 a2 b2 a2 1
④ 当 c=b 时，此时为旋转曲面
x2 a2
y2 c2
z2 c2
1
2020年5月13日星期三
17
六、双曲面
1、单叶双曲面
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
z
x
当 a=b 时为旋转单叶双曲面。
2020年5月13日星期三
18
o y
x2 y2 z2 a2 b2 c2 k
叫做柱面。
动直线L叫做柱面的母线，
L
定曲线C叫做柱面的准线。
2020年5月13日星期三
C
3
1）一般地，只含 x, y 而缺 z 的方程 F(x, y)=0在空间直角坐标系中表 示母线平行于 z 轴的柱面，其准线为 xoy 面上的曲线
F(x, y)
例1、 x y 表示R怎样的曲面？
解： 母线平行于 z 轴，准线为 xoy 面上的
点M到 z 轴的距离
d x y y , 将z z1,
y x y 代入 f ( y, z) 得 f ( x y , z)
z

z
2 2 2
o x
y
2
由于椭球面方程只含 x , y, z的平方项， 因此，椭球面关于原点 、坐标面、坐标轴 都是对称的，原点是椭 球面的中心.
(1)范围：
x a,
y b,
z c,
y b, z c
椭球面包含在由平面x a ,
围成的长方体内. 因此椭球面是有界曲面.
§7 常见的二次曲面
三元二次方程所表示的曲面称为二次曲面. 我们将用坐标面和平行于坐标面的平面与二次 曲面相截，考察其截痕的形状和性质，从而了 解二次曲面的图形，这种方法称为截痕法.
1
一、椭球面
x y z 方程 2 2 2 1 (a 0, b 0, c 0) a b c 表示的曲面叫做椭 球 面.
6
x2 y2 z2 2 2 1. 2 a b c
z
如果 a b, 椭球面是由 y2 z2 平面上的椭圆 2 2 1 绕 x b c z 轴旋转而成的, 叫做旋 转 椭球面.
o
y
如果 a b c, 则 x y z a , 此时
2 2 2 2
方程表示一个球面 .
(1)
用平面x x0 去截曲面（ 1 ），得
2 x0 这是x x0面上的抛物线.顶点在 x ， 0 ， ， 0 2 p 对称轴平行于z轴，开口朝下.
27
x y z 2 p 2q
图形如下：
2
2
设 p 0, q 0
z
y
o
x
28
2 2
当z变动时，这种椭圆的中心都 在z轴上. 与平面 z z1 ( z1 0) 不相交.
x
o

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空间直角坐标变换
若取1 为yOz面, 2 为xOz面, 3 为xOy面,
则原系到新系旳坐标变换公式为:
x
A1x
B1 y C1z D1 A12 B12 C12
y
A2 x
B2 y C2 z D2 A22 B22 C22
,
z
A3 x
B3 y C3z D3 A32 B32 C32
(一) 椭球面 [1] 椭球面: [2] 点:
[3] 虚椭球面:
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1;
x2 y2 z2 a2 b2 c2 0;
x2 y2 z2 1;
a2 b2 c2
上页 下页 结束
二次曲面旳类型
(二) 双曲面 [4] 单叶双曲面:
[5] 双叶双曲面: (三) 二次锥面 [6] 二次锥面: (四) 抛物面
其中a11, a22, a33, a12, a13, a23不全为零.
()
记 F(x, y, z) = a11x2 + a22y2 + a33z2 + 2a12xy
+ 2a13xz + 2a23yz + 2b1x + 2b2y + 2b3z + c
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用不变量判断二次曲面类型
则
a11 a`12 a13 b1 x
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空间直角坐标变换
点旳坐标变换公式:
x y
c11x c21x
c12 y c22 y
c13z d1 c23z d2
,
z c31x c32 y c33z d3
x c11 c12 c13 x d1 y c21 c22 c23 y d2 . z c31 c32 c33 z d3