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第三节--曲面及其方程

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第三节 曲面及其方程

一 曲面方程的概念

若一个三元方程

(, , )0F x y z = (1)

和曲面S 之间满足:

(1) S 上的任意点的坐标(, , )x y z 都满足(1)式;

(2) 如果一点P 的坐标(, , )x y z 满足(1)式, 则P 在S 上, 则称(1)式为S 的方程, 称S 为(1)式的图形.

例1 (球面的标准方程) 球心在点()0000, , M x y z 且半径为R 的球面的方程为

()()()

222

2000x x y y z z R -+-+-=.

若球心在原点, 则球面方程为

2222x y z R ++=.

例2 设有点()1, 2, 3A 和()2, 1, 4B -, 求线段AB 的垂直平分面的方程.

解 设点(), , M x y z 为所求平面上的任一点, 则AM BM =, 即

()()()

()()()

222

222

123214x y z x y z -+-+-=

-+++-,

于是得26270x y z -+-=, 此即所求.

例3 (球面的一般式) 方程

2220x y z Dx Ey Fz G ++++++=

表示一个球面, 球心为, , 2

22D

E F P ??-

-- ???, 半径为

2221

42

r D E F G =

++-. 当2

2

2

40D E F G ++->时, 该球面为实球.

当2

2

2

40D E F G ++-=时, 该球面为点球, 即原方程表示一点

, , 2

22D

E F P ??--- ???.

当222

40D E F G ++-<时, 该球面为虚球, 即原方程无实轨迹.

例如, 在2

2

2

240x y z x y ++-+=中, 2D =-, 4E =, 0F =, 0G =. 于是球心为()1, 2, 0P -,半径为5r =

.

二 旋转曲面

平面上的一条曲线C 绕该平面上的一条直线l 旋转一周所形成的曲面S 叫做旋转曲面.

在yz 平面上的曲线(): , 0C f y z =绕z 轴旋转所得的旋转曲面的方程为

()

22, 0f x y z ±+=.

C 绕y 轴旋转所成的旋转面的方程为

()22, 0f y x z ±+=.

在zx 平面上的曲线(): , 0C f z x =绕z 轴旋转所得的旋转曲面的方程为

(

)

22, 0f z x y ±+=.

C 绕x 轴旋转所成的旋转面的方程为

()

22, 0f y z x ±+=.

在xy 平面上的曲线(): , 0C f x y =绕x 轴旋转所得的旋转曲面的方程为

()

2

2,

0f x

y z ±+=.

C 绕y 轴旋转所成的旋转面的方程为

()

22, 0f x z y ±+=.

例4 直线L 绕另一条与L 相交的直线旋转一周, 所得的旋转面叫做圆锥面. 两直线的交点叫做圆锥面的顶点, 两直线的夹角02παα??

<<

??

?

叫做圆锥面的半顶角. 试建立顶点在原点O 、旋转轴为z 轴且半顶角为α的圆锥面的方程.

解 在yz 平面上, 直线L 的方程为cot z y α=. 于是所求圆锥面的方程为

22z x y α=±+, 令cot a α=, 则()2222z a x y =+为所求.

例5 将xz 平面上的双曲线22

221x z a c

-=绕x 轴旋转所生成的旋转面为

(

2

22

222

1y z x a c ±+-=, 即222

22

1x y z a c +-

=,绕z 轴旋转所生成的旋转面为(2

22

2

2

21x y z a c

±

+-=, 即2222

21x y z a c +-=. 将xy 平面上的椭圆22

221x y a b

+=绕y 轴旋转所生成的旋转面为

(2

22

2

2

21x z y a b

±

++=, 即2222

21x z y a b ++=.

例(补) 说明下列旋转面是怎样形成的: 2

2

z x y =+.

解 旋转面2

2

z x y =+的旋转轴是z 轴. 用平面0x =去截曲面2

2

z x y =+,

得yz 面上的抛物线2

z y =, 它即旋转面2

2

z x y =+的母线.

注 若用平面0y =去截曲面22

z x y =+, 可得xz 面上的抛物线2

z x =,

它也是旋转面22

z x y =+的母线.

三 柱面

平行于固定直线并沿固定曲线C 移动的直线L 形成的轨迹叫做柱面. 固定曲线C 叫做柱面的准线, 动直线L 叫做柱面的母线.

方程(), 0F x y =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xy 面上的曲线(), 0F x y =.

方程(), 0G x z =在空间直角坐标系中表示母线平行于y 轴的柱面, 其准线为xz 面上的曲线(), 0G x z =.

方程(), 0H y z =在空间直角坐标系中表示母线平行于x 轴的柱面, 其准线为yz 面上的曲线(), 0H y z =.

特别注意: 不能说方程(), 0F x y =在空间直角坐标系中表示xy 面上的一条曲线, 而要说它表示一个曲面. 对(), 0G x z =和(), 0H y z =也是一样的.

例6 方程2

2

2

x y R +=表示母线平行于于z 轴的圆柱面,其准线是xy 面上的圆2

2

2x y R +=.

方程2

2y z =表示母线平行于于x 轴的柱面, 其准线为yz 面上的抛物线

22y z =. 该柱面称为抛物柱面.

方程0x z -=表示母线平行于于y 轴的柱面, 其准线为xz 面上的直线

0x z -=. 该柱面为一个平面.

四 二次曲面

三元二次方程所表示的曲面叫做二次曲面.

(1) 椭圆锥面222

22x y z a b

+=

(2) 椭球面122

2222=++c

z b y a x (a 、b 、0c >). 其中a 、b 和c 称为椭球

面的半轴.

若a b =, 则122

2222=++c

z b y a x 成为

222

222

1x y z a a c ++=. 这是由xz 面上的椭圆22

221x z a c

+=绕z 轴旋转而成的旋转曲面, 称为旋转椭球

面.

当a b c ==时, 此椭球面成为球面2

2

2

2

x y z a ++=.

例 (补) 求椭球面122

2222=++c

z b y a x 与各坐标轴的交点.

解 该曲面与x 轴的交点(), 0, 0x 满足222

222001x a b c

++=, 于是, x a =±.

故曲面与x 轴的交点为(), 0, 0a ±.

同理, 曲面与y 轴的交点为()0, , 0b ±,与z 轴的交点为()0, 0, c ±.

(3) 单叶双曲面222

2221x y z a b c

+-= (a 、b 、0c >).

若a b =, 则222

2221x y z a b c

+-=成为

222

222

1x y z a a c +-=. 它是由yz 面上的双曲线22

221y z a c

-=绕z 轴旋转而得的旋转面, 称为旋转单叶双

曲面.

(4) 双叶双曲面

222

222

:1

x y z

S

a b c

-+-= (a、b、0

c>).

(5) 椭圆抛物面

22

22

x y

z a b

+=

原点称为该椭圆抛物面的顶点.

(6) 双曲抛物面 (马鞍面)

22

22

x y

z a b

-=

原点称为双曲抛物面的鞍点.

作业 P.318 1——9, 10 (1),(2),(3), 11

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