第四節(jié)空間的曲面與曲線

第四節(jié)空間的曲面與曲線演示文稿30三月20231當(dāng)前1頁(yè)，總共52頁(yè)。30三月20232（優(yōu)選）第四節(jié)空間的曲面與曲線當(dāng)前2頁(yè)，總共52頁(yè)。如果曲面

S

與方程

F(x,y,z)=0有下述關(guān)系:(1)曲面

S上的任意點(diǎn)的坐標(biāo)都滿足此方程;則F(x,y,z)=0

叫做曲面

S

的方程,曲面S叫做方程F(x,y,z)=0的圖形.兩個(gè)基本問(wèn)題

:(1)已知一曲面作為點(diǎn)的幾何軌跡時(shí),(2)不在曲面S上的點(diǎn)的坐標(biāo)不滿足此方程,求曲面方程.(2)已知方程時(shí),研究它所表示的幾何形狀(必要時(shí)需作圖).定義1當(dāng)前3頁(yè)，總共52頁(yè)。故所求方程為方程.特別,當(dāng)M0在原點(diǎn)時(shí),球面方程為解:

設(shè)軌跡上動(dòng)點(diǎn)為即依題意距離為

R

的軌跡表示上(下)半球面.例1

求動(dòng)點(diǎn)到定點(diǎn)二、一些常見(jiàn)的曲面1.球面當(dāng)前4頁(yè)，總共52頁(yè)。解:

配方得此方程表示:說(shuō)明:如下形式的三元二次方程

(A≠0)都可通過(guò)配方研究它的圖形.的曲面.（課本例1）

表示怎樣半徑為的球面.球心為例2研究方程當(dāng)前5頁(yè)，總共52頁(yè)。定義2

一條平面曲線2.旋轉(zhuǎn)曲面

繞其平面上一條定直線旋轉(zhuǎn)一周所形成的曲面叫做旋轉(zhuǎn)曲面.該定直線稱為旋轉(zhuǎn)軸

,旋轉(zhuǎn)曲線叫做旋轉(zhuǎn)曲面的母線.例如:當(dāng)前6頁(yè)，總共52頁(yè)。故旋轉(zhuǎn)曲面方程為當(dāng)繞

z軸旋轉(zhuǎn)時(shí),若點(diǎn)給定yoz

面上曲線

C:則有則有該點(diǎn)轉(zhuǎn)到建立yoz面上曲線C

繞

z

軸旋轉(zhuǎn)所成曲面的方程:當(dāng)前7頁(yè)，總共52頁(yè)。求旋轉(zhuǎn)曲面方程時(shí),平面曲線繞某坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),則該坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的變量不變,而曲線方程中另一變量寫(xiě)成該變量與第三變量平方和的正負(fù)平方根.思考：當(dāng)曲線C繞y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，方程如何？當(dāng)前8頁(yè)，總共52頁(yè)。的圓錐面方程.解:

在yoz面上直線L的方程為繞z

軸旋轉(zhuǎn)時(shí),圓錐面的方程為兩邊平方例3試建立頂點(diǎn)在原點(diǎn),旋轉(zhuǎn)軸為z軸,半頂角為當(dāng)前9頁(yè)，總共52頁(yè)。分別繞

x軸和

z

軸旋轉(zhuǎn)一周所生成的旋轉(zhuǎn)曲面方程.解:繞

x

軸旋轉(zhuǎn)繞

z

軸旋轉(zhuǎn)這兩種曲面都叫做旋轉(zhuǎn)雙曲面.所成曲面方程為所成曲面方程為例4

求坐標(biāo)面xoz

上的雙曲線(旋轉(zhuǎn)雙葉雙曲面）(旋轉(zhuǎn)單葉雙曲面）（習(xí)題6-43（2））當(dāng)前10頁(yè)，總共52頁(yè)。3.柱面引例分析方程表示怎樣的坐標(biāo)也滿足方程解:在xoy面上表示圓C,沿曲線C平行于

z軸的一切直線所形成的曲面稱為圓故在空間過(guò)此點(diǎn)作柱面.對(duì)任意

z,平行

z

軸的直線

l,表示圓柱面在圓C上任取一點(diǎn)其上所有點(diǎn)的坐標(biāo)都滿足此方程,的曲面?當(dāng)前11頁(yè)，總共52頁(yè)。平行定直線并沿定曲線C

移動(dòng)的直線l

形成的軌跡叫做柱面.表示拋物柱面,母線平行于

z

軸;準(zhǔn)線為xoy

面上的拋物線.

z

軸的橢圓柱面.z

軸的平面.表示母線平行于(且z

軸在平面上)表示母線平行于C

叫做準(zhǔn)線,l

叫做母線.定義3當(dāng)前12頁(yè)，總共52頁(yè)。柱面,柱面,平行于x

軸;平行于

y

軸;平行于

z

軸;準(zhǔn)線xoz

面上的曲線l3:H(z,x)=0.母線柱面,準(zhǔn)線xoy

面上的曲線l1

:F(x,y)=0.母線準(zhǔn)線yoz面上的曲線l2

:G(y,z)=0.母線一般地,在三維空間當(dāng)前13頁(yè)，總共52頁(yè)。三、二次曲面三元二次方程適當(dāng)選取直角坐標(biāo)系可得它們的標(biāo)準(zhǔn)方程,下面僅就幾種常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)型的特點(diǎn)進(jìn)行介紹.其基本類型有:橢球面、拋物面、雙曲面、錐面的圖形通常為二次曲面.(二次項(xiàng)系數(shù)不全為0)當(dāng)前14頁(yè)，總共52頁(yè)。方法一是用坐標(biāo)面和平行于坐標(biāo)面的平面與曲面相交，考察其交線的形狀，然后加以綜合，從而了解曲面的形狀．這種方法叫做截痕法．怎樣了解三元方程所表示的曲面的形狀呢?

研究二次曲面特性的基本方法:截痕法和伸縮變形

方法二是所謂的伸縮變形的方法，即通過(guò)把空間圖形伸縮變形形成新的曲面的方法．當(dāng)前15頁(yè)，總共52頁(yè)。橢圓在平面x＝0或y＝0上的截痕為過(guò)原點(diǎn)的兩直線.①橢圓錐面(EllipticCone)橢圓錐面也可由圓錐面經(jīng)x

或y方向的伸縮變換得到.當(dāng)前16頁(yè)，總共52頁(yè)。(1)范圍：(2)與坐標(biāo)面的交線：橢圓1.橢球面(Ellipsoid)當(dāng)前17頁(yè)，總共52頁(yè)。與的交線為橢圓：(4)當(dāng)a＝b

時(shí)為旋轉(zhuǎn)橢球面;同樣的截痕及也為橢圓.當(dāng)a＝b＝c

時(shí)為球面.(3)截痕:為正數(shù))當(dāng)前18頁(yè)，總共52頁(yè)。2.單葉雙曲面(HyperboloidofOneSheet)橢圓.時(shí),截痕為(實(shí)軸平行于x

軸；虛軸平行于z軸）平面上的截痕情況:雙曲線:當(dāng)前19頁(yè)，總共52頁(yè)。虛軸平行于x軸）時(shí),截痕為時(shí),截痕為(實(shí)軸平行于z

軸;相交直線:雙曲線:當(dāng)前20頁(yè)，總共52頁(yè)。2.單葉雙曲面

把xOz面上的雙曲線繞z軸旋轉(zhuǎn)，得旋轉(zhuǎn)單葉雙曲面.把此旋轉(zhuǎn)曲面沿y軸方向伸縮倍，即得單葉雙曲面.當(dāng)前21頁(yè)，總共52頁(yè)。雙曲線橢圓注意單葉雙曲面與雙葉雙曲面的區(qū)別:雙曲線單葉雙曲面:系數(shù)二項(xiàng)正,一項(xiàng)為負(fù).雙葉雙曲面:系數(shù)一項(xiàng)正,二項(xiàng)負(fù).圖形3.雙葉雙曲面(HyperboloidofTwoSheets)（a、b、c是正數(shù)）當(dāng)前22頁(yè)，總共52頁(yè)。4.橢圓拋物面

xyz把xOz面上的雙曲線繞z軸旋轉(zhuǎn)，所得曲面叫做旋轉(zhuǎn)拋物面.此旋轉(zhuǎn)曲面沿y軸方向伸縮倍，即得橢圓拋物面.當(dāng)前23頁(yè)，總共52頁(yè)。5.雙曲拋物面所表示的曲面稱為雙曲拋物面或馬鞍面.當(dāng)前24頁(yè)，總共52頁(yè)。四、空間曲線的方程空間曲線可視為兩曲面的交線,其一般方程為方程組例5方程組表示圓柱面與平面的交線

C.C1.空間曲線的一般方程當(dāng)前25頁(yè)，總共52頁(yè)。表示上半球面與圓柱面的交線C.例6方程組當(dāng)前26頁(yè)，總共52頁(yè)。會(huì)畫(huà)草圖當(dāng)前27頁(yè)，總共52頁(yè)。2.空間曲線的參數(shù)方程將曲線C上的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)x,y,z表示成參數(shù)t

的函數(shù):稱它為空間曲線的參數(shù)方程.當(dāng)前28頁(yè)，總共52頁(yè)。

動(dòng)點(diǎn)從A點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過(guò)t時(shí)間，運(yùn)動(dòng)到M點(diǎn)螺旋線的參數(shù)方程取時(shí)間t為參數(shù)，解當(dāng)前29頁(yè)，總共52頁(yè)。螺旋線的參數(shù)方程還可以寫(xiě)為螺旋線的重要性質(zhì)：上升的高度與轉(zhuǎn)過(guò)的角度成正比．即上升的高度螺距當(dāng)前30頁(yè)，總共52頁(yè)。解:(1)根據(jù)第一方程引入?yún)?shù),(2)將第二方程變形為故所求為得所求為練習(xí)將下列曲線化為參數(shù)方程表示:當(dāng)前31頁(yè)，總共52頁(yè)。五、曲面的參數(shù)方程(TheParametricEquationofSurface)一般曲面的參數(shù)方程含兩個(gè)參數(shù),形如當(dāng)前32頁(yè)，總共52頁(yè)。繞z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)曲面方程.略解:點(diǎn)M1繞z軸旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)過(guò)角度后到點(diǎn)則這就是旋轉(zhuǎn)曲面滿足的參數(shù)方程.例8求空間曲線:當(dāng)前33頁(yè)，總共52頁(yè)。定義：以曲線為準(zhǔn)線、母線平行于軸的柱面叫做關(guān)于面的投影柱面，投影柱面與面的交線叫做空間曲線在或簡(jiǎn)稱投影（類似地可以定義曲線在其他坐標(biāo)面上的投影）．面上的投影曲線，六、空間曲線在坐標(biāo)面上的投影(ProjectingCurveonaCoordinatePlaneofSpaceCurve)曲線當(dāng)前34頁(yè)，總共52頁(yè)。如圖:投影曲線的研究過(guò)程.空間曲線投影曲線投影柱面當(dāng)前35頁(yè)，總共52頁(yè)。消去變量z后得：曲線關(guān)于的投影柱面設(shè)空間曲線C的一般方程：以此空間曲線為準(zhǔn)線，垂直于所投影的坐標(biāo)面.投影柱面的特征：空間曲線C在面上的投影曲線C′當(dāng)前36頁(yè)，總共52頁(yè)。設(shè)空間曲線C的一般方程為消去

z

得投影柱面則C在xoy面上的投影曲線C′為消去

x

得C在yoz

面上的投影曲線方程消去y得C在zox面上的投影曲線方程當(dāng)前37頁(yè)，總共52頁(yè)。例9求曲線在xoy面上的投影曲線方程.當(dāng)前38頁(yè)，總共52頁(yè)。補(bǔ)充:空間立體或曲面在坐標(biāo)面上的投影.空間立體曲面當(dāng)前39頁(yè)，總共52頁(yè)。所圍的立體在xoy

面上的投影區(qū)域.和錐面在xoy面上的投影曲線二者交線所求的投影區(qū)域是圓域:解:半球面和錐面的交線在xoy面上的投影曲線所圍之域

.例10求上半球面為所求的投影區(qū)域.當(dāng)前40頁(yè)，總共52頁(yè)。內(nèi)容小結(jié)1.空間曲面三元方程

球面

旋轉(zhuǎn)曲面如,曲線繞z

軸的旋轉(zhuǎn)曲面:

柱面如,曲面表示母線平行z

軸的柱面.又如,橢圓柱面,雙曲柱面,拋物柱面等.當(dāng)前41頁(yè)，總共52頁(yè)。三元二次方程

橢球面

拋物面:橢圓拋物面雙曲拋物面

雙曲面:單葉雙曲面雙葉雙曲面

橢圓錐面:2.二次曲面當(dāng)前42頁(yè)，總共52頁(yè)。3.空間曲線一般方程（三元方程組）或參數(shù)方程(如,圓柱螺線)4.

曲面的參數(shù)方程5.空間曲線在坐標(biāo)面上的投影當(dāng)前43頁(yè)，總共52頁(yè)。作業(yè)習(xí)題6-3P43-45

4(1)(2);9;16當(dāng)前44頁(yè)，總共52頁(yè)。斜率為1的直線平面解析幾何中空間解析幾何中方程平行于y

軸的直線平行于yoz面的平面圓心在(0,0)半徑為3的圓以z軸為中心軸的圓柱面平行于z軸的平面