同济大学高等数学第六版第七章第三节齐次方程教学内容
高等数学第六版上下册全同济大学出版社
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例1. 海伦公式
(满射)
例2. 如图所示,
对应阴影部分的面积
则在数集
自身之间定义了一种映射 (满射)
例3. 如图所示, 则有 r
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(满射)
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说明:
映射又称为算子. 在不同数学分支中有不同的惯用
使
பைடு நூலகம்
其中
称此映射 f 1为 f 的反函数 .
习惯上, y f (x), x D 的反函数记成
y f 1(x) , x f (D)
性质:
1) y＝f (x) 单调递增 (减) , 其反函数
且也单调递增 (减) .
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2) 函数
与其反函数
第一章
函数与极限
分析基础
函数 — 研究对象 极限 — 研究方法
— 研究桥梁
第一节 映射与函数
一、集合 二、映射 三、函数
第一章
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一、 集合
1. 定义及表示法
简称集
定义 1. 具有某种特定性质的事物的总体称为集合.
组成集合的事物称为元素.
左 邻域 :
右 邻域 :
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2. 集合之间的关系及运算
定义2 . 设有集合 A, B , 若 x A 必有 x B , 则称 A
是 B 的子集 , 或称 B 包含 A , 记作 A B.
同济大学高数第六版基本概念及公式总结(土木数学兴趣小组)
四川建院土木1301（数学兴趣小组）目录第一章函数与极限薚……………………………………………………………………第一节函数……………………………………………………………………………….. 第二节数列的极限………………………………………………………………………………….. 第三节函数的极限…………………………………………………………………………………第四节无穷小与无穷大…………………………………………………………………………….. 第五节极限四则运算法则……………………………………………………………………………第六节极限存在准则、两个重要极限………………………………………………………………第七节无穷小的比较…………………………………………………………………………………第八节函数的连续性与间断点………………………………………………………………………第九节连续函数的运算与初等函数的连续性…………………………………………………….. 第十节闭区间上连续函数的性质……………………………………………………………………第二章导数与微分………………………………………………………………………. 第一节导数的概念……………………………………………………………………………………. 第二节函数的求导法则………………………………………………………………………………第三节初等函数的求导问题…………………………………………………………………………. 双曲函数与反双曲函数的导数…………………………………………………………………………第四节高阶导数………………………………………………………………………………………第五节隐函数的导数、由参数方程所确定的函数的导数相关辩化率……………………………第六节函数的微分…………………………………………………………………………………….第三章中值定理与导数的应用…………………………………………………………第一节中值定理………………………………………………………………………………….. 第二节洛必达法则……………………………………………………………………………………第三节泰勒公式………………………………………………………………………………………第四节函数单调性的判定法…………………………………………………………………………第五节函数的极值与最值……………………………………………………………………………第六节曲线的凹凸与拐点……………………………………………………………………………第七节曲率……………………………………………………………………………………………第八节方程的近似解…………………………………………………………………………………第四章不定积分……………………………………………………………………….. 第一节不定积分的概念及其性质………………………………………………………………第二节不定积分的换元积分………………………………………………………………………第三节不定积分的分部积分法…………………………………………………………………….. 第四节几种特殊类型函数的积分……………………………………………………………………第五章定积分…………………………………………………………………………. 第一节定积分概念与性质…………………………………………………………………………第二节微积分基本定理………………………………………………………………………….. 第三节定积分换元积分法与分部积分法……………………………………………………..第四节广义积分……………………………………………………………………………..第六章定积分的应用……………………………………………………………….定积分的元素法……………………………………………………………………………………功水压力和引力…………………………………………………………………………………. 平均值……………………………………………………………………………………………..第七章空间解析几何与向量代数…………………………………………………. 第一节空间直角坐标系…………………………………………………………………………. 第二节向量及其加减法向量与数的乘法………………………………………………………第三节向量的坐标………………………………………………………………………………第四节数量积向量积混合积…………………………………………………………………. 第五节曲面及其方程……………………………………………………………………………第六节空间曲线及其方程………………………………………………………………………. 第七节平面及其方程…………………………………………………………………………….. 第八节空间直线及其方程………………………………………………………………………. 第九节二次曲面…………………………………………………………………………………第八章多元函数微分法及其应用…………………………………………………第一节多元函数的基本概念………………………………………………………………….第二节偏导数………………………………………………………………………………….第三节全微分………………………………………………………………………………….第四节多元复合函数的求导法则……………………………………………………………. 第五节隐函数的求导法则……………………………………………………………………第六节微分法在几何上的应用………………………………………………………………..第七节方向导数与梯度………………………………………………………………………..第八节多元函数的极值及其求法……………………………………………………………….第九章重积分………………………………………………………………………第一节二重积分的概念与性质…………………………………………………………….第二节二重积分的计算…………………………………………………………………………第三节二重积分的应用…………………………………………………………………………第四节三重积分的概念及其计算法……………………………………………………………. 第五节利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分………………………………………………第十章曲线积分与曲面积分………………………………………………………第一节对弧长的曲线积分…………………………………………………………………….第二节对坐标的曲线积分…………………………………………………………………….第三节格林公式及其应用……………………………………………………………………. 第四节对面积的曲面积分……………………………………………………………………. 第五节对坐标的曲面积分……………………………………………………………………. 第六节高斯公式通量与散度………………………………………………………………第七节斯托克斯公式环流量与旋度………………………………………………………第十一章无穷级数………………………………………………………………第一节常数项级数的概念和性质………………………………………………………….. 第二节常数项级数的申敛法…………………………………………………………………. 第三节幂级数…………………………………………………………………………………. 第四节函数展开成幂级数……………………………………………………………………第五节函数的幂级数展开式的应用…………………………………………………………第七节傅里叶级数……………………………………………………………………………. 第八节正弦级数与余弦级数…………………………………………………………………. 第九节周期为2l的周期函数的傅里叶级数………………………………………………...第十二章微分方程……………………………………………………………….. 第一节微分方程的基本概念……………………………………………………………….. 第二节可分离变量的微分方程………………………………………………………………第三节齐次方程……………………………………………………………………………第四节一阶线性微分方程…………………………………………………………………第五节全微分方程……………………………………………………………………………第六节可降阶的高阶微分方程………………………………………………………………第七节高阶线性微分方程……………………………………………………………………第八节二阶常系数齐次线性微分方程………………………………………………….. 第九节二阶常系数非齐次线性微分方程……………………………………………………第十节欧拉方程………………………………………………………………………………第十一节微分方程的幂级数解法……………………………………………………………. 第十二节常系数线性微分方程组解法举例…………………………………………………第一章 函数与极限第一节 函 数教学目的：本节主要是复习高中阶段学过的集合以及函数的概念、性质；介绍邻域、分段函数、复合函数、初等函数的概念。
高等数学同济第六版教材pdf
高等数学同济第六版教材pdf 高等数学是大学理工科专业中必修的重要课程之一，对于培养学生的逻辑思维和分析问题的能力具有重要意义。
而同济大学的《高等数学》第六版教材在教学界具有很高的声誉和影响力。
对于学习这门课程的学生来说，拥有一本全面且详细的教材十分重要。
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第一部分：教材简介同济大学的《高等数学》第六版教材由同济大学出版社出版，作者为王立平等。
这本教材共分为上下两册，内容涵盖了高等数学的基础知识以及一些较为深入的内容。
教材的编写风格通俗易懂，逻辑清晰，注重理论与实践相结合。
并且，该教材还融入了一些生活中的实际问题，帮助学生将数学理论应用于实际情境中。
第二部分：教材内容概览《高等数学》第六版教材共包含十章内容，分别是函数与极限、微分学、微分中值定理与导数的应用、不定积分、定积分与柯西公式、定积分应用、微分方程、无穷级数、向量代数与空间解析几何、多元函数微分学与多元函数积分学。
每章内容都有详细的讲解和大量的习题，帮助学生巩固知识并提高解题能力。
第三部分：PDF版本介绍同济大学的《高等数学》第六版教材的PDF版本是在线阅读和下载的电子书籍。
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同济版大一高数下第七章第三节齐次方程
微分方程的解为
y = C( y − x) ( y −2x).
2
9
*二、可化为齐次方程的方程 二
2 (c2 +c1 ≠ 0)
a1 b 1.当 ≠ 1 时 作变换 x = X + h, y =Y + k ( h, k 为待 , a b 定常数), 则d x = d X , d y = dY, 原方程化为 + ah +bk + c
令
12
− 1 ln(1+ u2)= ln C X 积分得 arctanu 2
x = Χ+ h y = Υ+k
h =1, k = −5
令
Y＝X u
X = x −1, Y = y +5 ,
代回原变量, 得原方程的通解:
y + 5 1 y +5 2 − ln 1+ arctan = ln C(x −1) x −1 2 x −1
+ a1h + b1k +c1
令 , 解出 h , k
(齐次方程)
求出其解后,
10
即得原方程的解.
a1 b 2.当 = 1 = λ时, 原方程可化为 a b dy a x +by + c (b ≠ 0) = dx λ(a x +by) + c1 令 v = a x +by, 则dv = a + bdy dx dx dv v +c = a +b (可分离变量方程) dx λv + c1 注: 上述方法可适用于下述更一般的方程
sin u = −ln x +ln C,
y C sin = ln x x
高等数学课件--D7_3齐次方程
代回原变量, 得原方程的通解:
y5 arctan ln 1 ln C ( x 1) x 1 2 x 1 1
y5
2
得 C = 1 , 故所求特解为
思考: 若方程改为 提示:
如何求解?
2012-10-12
同济版高等数学课件
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于是方程化为
(齐次方程)
令v x y ,
dx dy
v y
dv dy
y
dv dy
1 v
2
积分得 ln ( v 1 v 2 ) ln y ln C
故有
y C
2 2
2y v C
2
1
( C 2
y C
v ) 1 v
2
2
得 y 2C ( x 故反射镜面为旋转抛物面.
作业
P309 1 (1), (4), (6) ; 2 (2), (3) ;
3;
*4 (4)
2012-10-12
同济版高等数学课件
第四节 目录 上页 下页 返回 结束
解: 令
得 h 1, k 5
令 x X 1, y Y 5 , 得
再令 Y＝X u , 得
1 u 1 u
2
dY dX
X Y X Y
du
dX X
2
积分得
2012-10-12
arctan u 1 ln (1 u ) ln C X 2
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例2. 解微分方程 解: 方程变形为
同济大学高等数学教案
教案标题：同济大学高等数学教学计划一、教学目标本课程旨在帮助学生掌握高等数学的基本概念、理论和方法，培养学生的逻辑思维能力、创新意识和实际应用能力。
通过本课程的学习，学生应能熟练运用高等数学知识解决实际问题，为后续专业课程的学习和科学研究打下坚实的基础。
二、教学内容1. 函数与极限1.1 函数的概念、性质和图像1.2 极限的定义和性质1.3 无穷小和无穷大1.4 极限的运算法则1.5 极限的存在性判断2. 导数与微分2.1 导数的定义和性质2.2 导数的运算法则2.3 高阶导数2.4 隐函数和参数方程函数的导数2.5 微分及其应用3. 微分中值定理与导数的应用3.1 罗尔定理3.2 拉格朗日中值定理3.3 柯西中值定理3.4 泰勒公式3.5 导数在函数性质分析中的应用4. 不定积分4.1 不定积分的概念和性质4.2 基本积分公式4.3 换元积分法4.4 分部积分法4.5 不定积分在实际问题中的应用5. 定积分及其应用5.1 定积分的概念和性质5.2 定积分的运算法则5.3 定积分的换元法和分部法5.4 定积分的应用（如面积、体积、弧长等）6. 微分方程6.1 微分方程的概念和分类6.2 线性微分方程6.3 非线性微分方程6.4 微分方程的求解方法6.5 微分方程在实际问题中的应用三、教学方法1. 讲授法：通过系统、生动的讲解，使学生掌握高等数学的基本概念、理论和方法。
2. 案例分析法：结合具体实例，让学生了解高等数学在实际问题中的应用。
3. 练习法：布置适量的课后习题，巩固所学知识，提高学生的解题能力。
4. 讨论法：组织学生进行课堂讨论，培养学生的逻辑思维能力和创新意识。
5. 实验法：结合数学软件，让学生亲身体验高等数学的实践操作。
四、教学安排1. 授课时间：共计16周，每周2课时。
2. 课后习题：每节课后布置相应的习题，要求学生独立完成。
3. 课堂讨论：每学期组织2-3次课堂讨论，学生可就所学内容提出疑问或分享自己的见解。
同济高等数学第六版-D7_7常系数齐次线性微分方程-精选文档
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小结:
y p y q y 0( p , q 为常数 )
2 特征方程: r p r q 0 , 特征根 :r ,r 1 2
特征根
通
解
r 1 r 2 实根
p r r 1 2 2
r i 1 , 2
r x r x 1 2 y C e C e 1 2 r x 1 y ( C C x ) e 1 2 x y e ( C cos x C sin x ) 1 2
x x ( t) . 速度为 v 0, 求物体的运动规律
解: 由第六节例1 (P323) 知, 位移满足 因此定解问题为
dx 2 2 n k x 0 2 dt dt d x x t 0 x 0, t 0 v0 dt
d x
2
O x
x
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1) 无阻尼自由振动情况 ( n = 0 )
k 1 ( D D x D x sin x ] 1 2 k )
பைடு நூலகம்
(以上 C ) i, D i 均为任意常数
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例1. 求方程 的通解. y 2 y 3 y 0 2 1 , r 3 , 解: 特征方程 r 2 r 3 0 ,特征根: r 1 2
2
1 x y ( y y ) e cosx 1 2 1 2 1 x e sinx y ( y y ) 2 2 2 i 1
利用解的叠加原理 , 得原方程的线性无关特解:
因此原方程的通解为 y p y q y 0( p , q 为常数 ) x 2( y e C cos x C sin x ) 1 2 特征方程 r p r q 0
高等数学第六版上下册(同济大学出版社)课件
不定积分的几何意义
不定积分表示的是一种曲线族 ，每一条曲线都有一个与之对
应的方程。
积分的应用场景
01
物理应用
积分在物理中有广泛的应用，例 如计算物体的质量、重心、转动 惯量等。
工程应用
02
03
经济应用
积分在工程中有广泛的应用，例 如计算曲线的长度、面积、体积 等。
积分在经济中有广泛的应用，例 如计算总成本、总收益、总利润 等。
05
多重积分与向量分析
二重积分的概念与性质
二重积分的定义
二重积分是定积分在二维平面上的推广，表示一个二元函数在某个区域上的累积值。
二重积分的性质
二重积分具有可加性、可减性、可交换性等性质，这些性质使得二重积分在解决实际问题中具有广泛的应用。
三重积分的概念与性质
三重积分的定义
三重积分是定积分在三维空间上的推广 ，表示一个三元函数在某个区域上的累 积值。
03
导数与微分
导数的概念与性质
导数的定义
导数描述了函数在某一点附近的变化率，是函数局部 性质的一种体现。
导数的几何意义
导数在几何上表示函数图像在某一点的切线的斜率。
导数的性质
导数具有一些基本的性质，如线性性质、乘积法则、 商的导数法则等。
微分的概念与性质
微分的定义
01
微分是函数在某一点附近的小变化量，用于近似计算函数的值
求函数的最值
导数可以用于求函数在一定区间内的最大值和最小值，这在优化问题中具有广泛的应用。
04
积分
定积分的概念与性质
01
定积分的定义
定积分是积分的一种，是函数在区间上与区间的乘积在区间的两个端点
《高等数学》教学大纲
《高等数学》教学大纲Advanced Mathematics英文名称：Higher mathematics 课程类型：必修、基础理论课学时：160 学分：8使用对象:理工科类各专业先修课程:数学课程的教学目的与任务高等数学课程是理工科本科各专业学生的一门必修的重要基础理论课。
通过本课程的学习，要求学生掌握微积分学；向量代数和空间解析几何；级数；和常微分方程等方面的基本概念、基本理论和基本运算技能。
为学习后继课程和进一步获得数学知识奠定必要的数学基础。
在本课程的各个教学环节中，一方面要讲授高等数学知识，另一方面要逐步培养学生具有抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力，还要特别注意培养学生具有比较熟练的运算和综合运用所学知识去提出问题、分析问题和解决问题的能力。
课程的基本要求本课程的内容按教学要求的不同，分为两个层次。
重点内容部分要求学生深入理解、牢固掌握、熟练运用。
其它内容也时教学中必不可少的，只是在要求上低一些，对相应的概念和原理只作为一般的理解和了解。
具体在课堂教学过程中会做些相应的说明。
教学内容、方法及教学安排第一章：函数与极限建议学时：16[教学目的与要求]1.理解函数的概念，理解分段函数、参数式方程确定的函数，熟练地使用函数记号。
2. 了解函数的单调性、周期性、奇偶性和有界性。
3.了解反函数、复合函数的概念。
4.掌握基本初等函数的图形。
5.能将简单实际问题中的函数关系表达出来。
6.了解极限的e—N、e—δ的定义。
理解极限思想。
7.了解极限的基本性质，理解函数左、右极限概念。
8.掌握极限四则运算法则。
9.理解极限存在的两个准则，掌握利用两个重要极限求极限。
11.了解无穷小，无穷大的概念，理解无穷小的性质以及它与极限的关系，掌握利用无穷小性质求某些极限，掌握无穷小的比较。
12.理解函数在一点连续与间断的概念，掌握间断点的分类及判定。
13.了解初等函数的连续性，连续函数的四则运算，复合函数及反函数的连续性。
同济第六版《高等数学》教案WORD版-第07章 空间解析几何与向量代数
第七章空间解析几何与向量代数教学目的：1、理解空间直角坐标系，理解向量的概念及其表示。
2、掌握向量的运算（线性运算、数量积、向量积、混合积），掌握两个向量垂直和平行的条件。
3、理解单位向量、方向数与方向余弦、向量的坐标表达式，熟练掌握用坐标表达式进行向量运算的方法。
4、掌握平面方程和直线方程及其求法。
5、会求平面与平面、平面与直线、直线与直线之间的夹角，并会利用平面、直线的相互关系（平行、垂直、相交等）解决有关问题。
6、会求点到直线以及点到平面的距离。
7、理解曲面方程的概念，了解常用二次曲面的方程及其图形，会求以坐标轴为旋转轴的旋转曲面及母线平行于坐标轴的柱面方程。
8、了解空间曲线的参数方程和一般方程。
9、了解空间曲线在坐标平面上的投影，并会求其方程。
教学重点：1、向量的线性运算、数量积、向量积的概念、向量运算及坐标运算；2、两个向量垂直和平行的条件；3、平面方程和直线方程；4、平面与平面、平面与直线、直线与直线之间的相互位置关系的判定条件；5、点到直线以及点到平面的距离；6、常用二次曲面的方程及其图形；7、旋转曲面及母线平行于坐标轴的柱面方程；8、空间曲线的参数方程和一般方程。
教学难点：1、向量积的向量运算及坐标运算；2、平面方程和直线方程及其求法；3、点到直线的距离；4、二次曲面图形；5、旋转曲面的方程；§7. 1 向量及其线性运算一、向量概念向量:在研究力学、物理学以及其他应用科学时,常会遇到这样一类量,它们既有大小,又有方向. 例如力、力矩、位移、速度、加速度等, 这一类量叫做向量.在数学上, 用一条有方向的线段(称为有向线段)来表示向量. 有向线段的长度表示向量的大小, 有向线段的方向表示向量的方向. 向量的符号:以A 为起点、B 为终点的有向线段所表示的向量记作→AB . 向量可用粗体字母表示, 也可用上加箭头书写体字母表示, 例如, a 、r 、v 、F 或→a 、→r 、→v 、→F .自由向量: 由于一切向量的共性是它们都有大小和方向, 所以在数学上我们只研究与起点无关的向量, 并称这种向量为自由向量, 简称向量. 因此, 如果向量a 和b 的大小相等, 且方向相同, 则说向量a 和b 是相等的, 记为a = b . 相等的向量经过平移后可以完全重合. 向量的模: 向量的大小叫做向量的模.向量a 、→a 、→AB 的模分别记为|a |、||→a 、||→AB . 单位向量: 模等于1的向量叫做单位向量.零向量: 模等于0的向量叫做零向量, 记作0或→0. 零向量的起点与终点重合, 它的方向可以看作是任意的.向量的平行: 两个非零向量如果它们的方向相同或相反, 就称这两个向量平行. 向量a 与b 平行, 记作a // b . 零向量认为是与任何向量都平行.当两个平行向量的起点放在同一点时, 它们的终点和公共的起点在一条直线上. 因此, 两向量平行又称两向量共线.类似还有共面的概念. 设有k (k ≥3)个向量, 当把它们的起点放在同一点时, 如果k 个终点和公共起点在一个平面上, 就称这k 个向量共面. 二、向量的线性运算1．向量的加法向量的加法: 设有两个向量a 与b , 平移向量使b 的起点与a 的终点重合, 此时从a 的起点到b 的终点的向量c 称为向量a 与b 的和, 记作a +b , 即c =a +b . 三角形法则:上述作出两向量之和的方法叫做向量加法的三角形法则. 平行四边形法则:当向量a 与b 不平行时, 平移向量使a 与b 的起点重合, 以a 、b 为邻边作一平行四边形, 从公共起点到对角的向量等于向量a 与b 的和a +b . 向量的加法的运算规律:b ac ABC BC(1)交换律a +b =b +a ;(2)结合律(a +b )+c =a +(b +c ).由于向量的加法符合交换律与结合律, 故n 个向量a 1, a 2, ⋅ ⋅ ⋅, a n (n ≥3)相加可写成a 1+a 2+ ⋅ ⋅ ⋅+a n ,并按向量相加的三角形法则, 可得n 个向量相加的法则如下: 使前一向量的终点作为次一向量的起点, 相继作向量a 1, a 2, ⋅ ⋅ ⋅, a n , 再以第一向量的起点为起点, 最后一向量的终点为终点作一向量, 这个向量即为所求的和. 负向量:设a 为一向量, 与a 的模相同而方向相反的向量叫做a 的负向量, 记为-a . 向量的减法:我们规定两个向量b 与a 的差为b -a =b +(-a ).即把向量-a 加到向量b 上, 便得b 与a 的差b -a . 特别地, 当b =a 时, 有 a -a =a +(-a )=0.显然, 任给向量→AB 及点O , 有 →→→→→A O OB OB O A AB -=+=,因此, 若把向量a 与b 移到同一起点O , 则从a 的终点A 向b 的终点B 所引向量→AB 便是向量b 与a 的差b -a . 三角不等式:由三角形两边之和大于第三边的原理, 有|a +b |≤|a |+|b |及|a -b |≤|a |+|b |,其中等号在b 与a 同向或反向时成立. 2．向量与数的乘法向量与数的乘法的定义:向量a 与实数λ的乘积记作λa , 规定λa 是一个向量, 它的模|λa |=|λ||a |, 它的方向当λ>0时与a 相同, 当λ<0时与a 相反.当λ=0时, |λa |=0, 即λa 为零向量, 这时它的方向可以是任意的. 特别地, 当λ=±1时, 有1a =a , (-1)a =-a .b -a b -a b ab -a运算规律:(1)结合律 λ(μa )=μ(λa )=(λμ)a ； (2)分配律 (λ+μ)a =λa +μa ； λ(a +b )=λa +λb .例1. 在平行四边形ABCD 中, 设−→−AB =a , −→−AD =b .试用a 和b 表示向量−→−MA 、−→−MB 、−→−MC 、−→−MD , 其中M 是平行四边形对角线的交点.解 由于平行四边形的对角线互相平分, 所以 a +b −→−−→−==AM AC 2, 即 -(a +b )−→−=MA 2, 于是 21-=−→−MA (a +b ).因为−→−−→−-=MA MC , 所以21=−→−MC (a +b ).又因-a +b −→−−→−==MD BD 2, 所以21=−→−MD (b -a ). 由于−→−−→−-=MD MB , 所以21=−→−MB (a -b ).例1 在平行四边形ABCD 中, 设→a =AB , →b =AD . 试用a 和b 表 示向量→MA 、→MB 、→MC 、→MD , 其中M 是平行四边形对角线的交点.解 由于平行四边形的对角线互相平分, 所以 →→→MA AM AC 22-===+b a ,于是→)(21b a +-=MA ; →→)(21b a +=-=MA MC .因为→→MD BD 2==+-b a , 所以→)(21a b -=MD ; →→)(21b a -=-=MD MB向量的单位化:设a ≠0, 则向量||a a 是与a 同方向的单位向量, 记为e a .于是a =|a |e a .向量的单位化:BCDBCD设a ≠0, 则向量||a a 是与a 同方向的单位向量, 记为e a .于是a = | a | e a .定理1 设向量a ≠ 0, 那么, 向量b 平行于a 的充分必要条件是: 存在唯一的实数λ, 使 b = λa .证明: 条件的充分性是显然的, 下面证明条件的必要性.设b // a . 取||a b ||||=λ, 当b 与a 同向时λ取正值, 当b 与a 反向时λ取负值, 即b =λa . 这是因为此时b 与λa 同向, 且|λa |=|λ||a ||b ||a a b ==|||||.再证明数λ的唯一性. 设b =λa , 又设b =μa , 两式相减, 便得 (λ-μ)a =0, 即|λ-μ||a |=0. 因|a |≠0, 故|λ-μ|=0, 即λ=μ.给定一个点及一个单位向量就确定了一条数轴. 设点O 及单位向量i 确定了数轴Ox , 对于轴上任一点P , 对应一个向量→OP , 由→OP //i , 根据定理1, 必有唯一的实数x , 使→OP =x i (实数x 叫做轴上有向线段→OP 的值), 并知→OP 与实数x 一一对应. 于是 点P ↔向量→OP = x i ↔实数x ,从而轴上的点P 与实数x 有一一对应的关系. 据此, 定义实数x 为轴上点P 的坐标. 由此可知, 轴上点P 的坐标为x 的充分必要条件是 →OP = x i . 三、空间直角坐标系在空间取定一点O 和三个两两垂直的单位向量i 、j 、k , 就确定了三条都以O 为原点的两两垂直的数轴, 依次记为x 轴(横轴)、y 轴(纵轴)、z 轴(竖轴), 统称为坐标轴. 它们构成一个空间直角坐标系, 称为Oxyz 坐标系.注: (1)通常三个数轴应具有相同的长度单位;(2)通常把x 轴和y 轴配置在水平面上, 而z 轴则是铅垂线; (3)数轴的的正向通常符合右手规则. 坐标面:在空间直角坐标系中, 任意两个坐标轴可以确定一个平面, 这种平面称为坐标面. x 轴及y 轴所确定的坐标面叫做xOy 面, 另两个坐标面是yOz 面和zOx 面.卦限:三个坐标面把空间分成八个部分, 每一部分叫做卦限, 含有三个正半轴的卦限叫做第一卦限,它位于xOy 面的上方. 在xOy 面的上方, 按逆时针方向排列着第二卦限、第三卦限和第四卦限. 在xOy 面的下方, 与第一卦限对应的是第五卦限, 按逆时针方向还排列着第六卦限、第七卦限和第八卦限. 八个卦限分别用字母I 、II 、III 、IV 、V 、VI 、VII 、VIII 表示. 向量的坐标分解式:任给向量r , 对应有点M , 使→r =OM . 以OM 为对角线、三条坐标轴为棱作长方体, 有 →→→→→→→OR OQ OP NM PN OP OM ++=++==r , 设 →i x OP =, →j y OQ =, →k z OR =, 则 →k j i r z y x OM ++==.上式称为向量r 的坐标分解式, x i 、y j 、z k 称为向量r 沿三个坐标轴方向的分向量.显然, 给定向量r , 就确定了点M 及→i x OP =, →j y OQ =, →k z OR =三个分向量, 进而确定了x 、y 、z 三个有序数; 反之, 给定三个有序数x 、y 、z 也就确定了向量r 与点M . 于是点M 、向量r 与三个有序x 、y 、z 之间有一一对应的关系 →) , ,(z y x z y x OM M ↔++==↔k j i r .据此, 定义: 有序数x 、y 、z 称为向量r (在坐标系Oxyz )中的坐标, 记作r =(x , y , z ); 有序数x 、y 、z 也称为点M (在坐标系Oxyz )的坐标, 记为M (x , y , z ).向量→OM =r 称为点M 关于原点O 的向径. 上述定义表明, 一个点与该点的向径有相同的坐标. 记号(x , y , z )既表示点M , 又表示向量→OM .坐标面上和坐标轴上的点, 其坐标各有一定的特征. 例如: 点M 在yOz 面上, 则x =0; 同相, 在zOx 面上的点, y =0; 在xOy 面上的点, z =0. 如果点M 在x 轴上, 则y =z =0; 同样在y 轴上,有z =x =0; 在z 轴上 的点, 有x =y =0. 如果点M 为原点, 则x =y =z =0.四、利用坐标作向量的线性运算 设a =(a x , a y , a z ), b =(b x , b y , b z ) 即 a =a x i +a y j +a z k , b =b x i +b y j +b z k , 则 a +b =(a x i +a y j +a z k )+(b x i +b y j +b z k ) =(a x +b x )i +(a y +b y )j +(a z +b z )k =(a x +b x , a y +b y , a z +b z ).a -b =(a x i +a y j +a z k )-(b x i +b y j +b z k ) =(a x -b x )i +(a y -b y )j +(a z -b z )k =(a x -b x , a y -b y , a z -b z ).λa =λ(a x i +a y j +a z k ) =(λa x )i +(λa y )j +(λa z )k =(λa x , λa y , λa z ).利用向量的坐标判断两个向量的平行: 设a =(a x , a y , a z )≠0, b =(b x , b y , b z ), 向量b //a ⇔b =λa , 即b //a ⇔(b x , b y , b z )=λ(a x , a y , a z ), 于是zzy y x x a b a b a b ==. 例2 求解以向量为未知元的线性方程组⎩⎨⎧=-=-b y x ay x 2335,其中a =(2, 1, 2), b =(-1, 1, -2).解 如同解二元一次线性方程组, 可得 x =2a -3b , y =3a -5b . 以a 、b 的坐标表示式代入, 即得x =2(2, 1, 2)-3(-1, 1, -2)=(7, -1, 10), y =3(2, 1, 2)-5(-1, 1, -2)=(11, -2, 16).例3 已知两点A (x 1, y 1, z 1)和B (x 2, y 2, z 2)以及实数λ≠-1, 在直线AB 上求一点M , 使→→MB AM λ=. 解 由于→→→OA OM AM -=, →→→OM OB MB -=, 因此 →→→→)(OM OB OA OM -=-λ,从而→→→)(11OB OA OM λλ++= . ) 1 ,1 ,1(212121λλλλλλ++++++=x x x x x x , 这就是点M 的坐标.另解 设所求点为M (x , y , z ), 则→) , ,(111z z y y x x AM ---=, →) , ,(222z z y y x x MB ---=. 依题意有→→MB AM λ=, 即(x -x 1, y -y 1, z -z 1)=λ(x 2-x , y 2-y , z 2-z ) (x , y , z )-(x 1, y 1, z 1)=λ(x 2, y 2, z 2)-λ(x , y , z ),) , ,(11) , ,(212121z z y y x x z y x λλλλ++++=,λλ++=121x x x , λλ++=121y y y , λλ++=121z z z . 点M 叫做有向线段→AB 的定比分点. 当λ=1, 点M 的有向线段→AB 的中点, 其坐标为 221x x x +=, 221y y y +=, 221zz z +=. 五、向量的模、方向角、投影 1．向量的模与两点间的距离公式 设向量r =(x , y , z ), 作→r =OM , 则 →→→→OR OQ OP OM ++==r , 按勾股定理可得222||||||||||OR OQ OP OM ++==r , 设 →i x OP =, →j y OQ =, →k z OR =, 有 |OP |=|x |, |OQ |=|y |, |OR |=|z |,于是得向量模的坐标表示式 222||z y x ++=r . 设有点A (x 1, y 1, z 1)、B (x 2, y 2, z 2), 则→→→OA OB AB -==(x 2, y 2, z 2)-(x 1, y 1, z 1)=(x 2-x 1, y 2-y 1, z 2-z 1), 于是点A 与点B 间的距离为→212212212)()()(||||z z y y x x AB AB -+-+-==.例4 求证以M 1(4, 3, 1)、M 2 (7, 1, 2)、M 3 (5, 2, 3)三点为顶点的三角形是一个等腰三角形. 解 因为 | M 1M 2|2 =(7-4)2+(1-3)2+(2-1)2 =14, | M 2M 3|2 =(5-7)2+(2-1)2+(3-2)2 =6, | M 1M 3|2 =(5-4)2+(2-3)2+(3-1)2 =6, 所以|M 2 M 3|=|M 1M 3|, 即∆ M 1 M 2 M 3为等腰三角形.例5 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 .例6 已知两点A (4, 0, 5)和B (7, 1, 3), 求与→AB 方向相同的单位向量e . 解 因为→)2 ,1 ,3()5 ,0 ,4()3 ,1 ,7(-=-=AB , →14)2(13||222=-++=AB , 所以 →→)2 ,1 ,3(141||-==AB AB e .2．方向角与方向余弦当把两个非零向量a 与b 的起点放到同一点时, 两个向量之间的不超过π的夹角称为向量a 与b 的夹角, 记作^) ,(b a 或^) ,(a b . 如果向量a 与b 中有一个是零向量, 规定它们的夹角可以在0与π之间任意取值.类似地, 可以规定向量与一轴的夹角或空间两轴的夹角. 非零向量r 与三条坐标轴的夹角α、β、γ称为向量r 的方向角. 向量的方向余弦: 设r =(x , y , z ), 则x =|r |cos α, y =|r |cos β, z =|r |cos γ . cos α、cos β、cos γ 称为向量r 的方向余弦.||cos r x =α, ||cos r y=β, ||cos r z =γ.从而 r e r r ==||1)cos ,cos ,(cos γβα.上式表明, 以向量r 的方向余弦为坐标的向量就是与r 同方向的单位向量e r . 因此cos 2α+cos 2β+cos 2γ=1. 例3 设已知两点)2 ,2 ,2( A )和B (1, 3, 0), 计算向量→AB 的模、方向余弦和方向角. 解 →)2 ,1 ,1()20 ,23 ,21(--=---=AB ; →2)2(1)1(||222=-++-=AB ;21cos -=α, 21cos =β, 22cos -=γ;32πα=, 3πβ=, 43 πγ=.3．向量在轴上的投影设点O 及单位向量e 确定u 轴.任给向量r , 作→r =OM , 再过点M 作与u 轴垂直的平面交u 轴于点M '(点M '叫作点M 在u 轴上的投影), 则向量→M O '称为向量r 在u 轴上的分向量. 设→e λ='M O , 则数λ称为向量r 在u 轴上的投影, 记作Prj u r 或(r )u .按此定义, 向量a 在直角坐标系Oxyz 中的坐标a x , a y , a z 就是a 在三条坐标轴上的投影, 即 a x =Prj x a , a y =Prj y a , a z =Prj z a . 投影的性质:性质1 (a )u =|a |cos ϕ (即Prj u a =|a |cos ϕ), 其中ϕ为向量与u 轴的夹角; 性质2 (a +b )u =(a )u +(b )u (即Prj u (a +b )= Prj u a +Prj u b ); 性质3 (λa )u =λ(a )u (即Prj u (λa )=λPrj u a );§7. 2 数量积 向量积 一、两向量的数量积数量积的物理背景: 设一物体在常力F 作用下沿直线从点M 1移动到点M 2. 以s 表示位移→21M M . 由物理学知道, 力F 所作的功为W = |F | |s | cos θ ,其中θ 为F 与s 的夹角.数量积: 对于两个向量a 和b , 它们的模 |a |、|b | 及它们的夹角θ 的 余弦的乘积称为向量a 和b 的数量积, 记作a ⋅b , 即a ·b =|a | |b | cos θ .数量积与投影:由于|b | cos θ =|b |cos(a ,^ b ), 当a ≠0时, |b | cos(a ,^ b ) 是向量 b 在向量a 的方向上的投影, 于是a ·b = |a | Prj a b . 同理, 当b ≠0时, a·b = |b | Prj b a . 数量积的性质: (1) a·a = |a | 2.(2) 对于两个非零向量a、b, 如果a·b =0, 则a⊥b反之, 如果a⊥b, 则a·b =0.如果认为零向量与任何向量都垂直, 则a⊥b ⇔ a·b =0.数量积的运算律:(1)交换律: a·b =b·a(2)分配律: (a+b)⋅c=a⋅c+b⋅c.(3) (λa)·b =a·(λb) =λ(a·b),(λa)·(μb) =λμ(a·b), λ、μ为数.(2)的证明:分配律(a+b)⋅c=a⋅c+b⋅c的证明:因为当c=0时,上式显然成立;当c≠0时,有(a+b)⋅c=|c|Prj c(a+b)=|c|(Prj c a+Prj c b)=|c|Prj c a+|c|Prj c b=a⋅c+b⋅c.例1 试用向量证明三角形的余弦定理.证: 设在ΔABC中, ∠BCA=θ (图7-24), |BC|=a, |CA|=b, |AB|=c,要证c 2=a 2+b 2-2 a b cos θ .记→CB=a, →CA=b, →AB=c, 则有c=a-b,从而 |c|2=c⋅c=(a-b)(a-b)=a⋅a+b⋅b-2a⋅b=|a|2+|b|2-2|a||b|cos(a,^b),即c 2=a 2+b 2-2 a b cos θ .数量积的坐标表示:设a=(a x,a y,a z ), b=(b x,b y,b z ),则a·b=a x b x+a y b y+a z b z .提示:按数量积的运算规律可得a·b =( a x i +a y j +a z k)·(b x i +b y j +b z k)=a x b x i·i +a x b y i·j +a x b z i·k+a y b x j ·i +a y b y j ·j +a y b z j·k+a z b x k·i +a z b y k·j +a z b z k·k= a x b x+ a y b y+ a z b z .两向量夹角的余弦的坐标表示:设θ=(a, ^ b),则当a≠0、b≠0时, 有222222||||cos zy x z y x z z y y x x b b b a a a b a b a b a ++++++=⋅=b a b a θ. 提示: a·b =|a ||b |cos θ .例2 已知三点M (1, 1, 1)、A (2, 2, 1)和B (2, 1, 2), 求∠AMB .解 从M 到A 的向量记为a , 从M 到B 的向量记为b , 则∠AMB 就是向量a 与b 的夹角. a ={1, 1, 0}, b ={1, 0, 1}.因为a ⋅b =1⨯1+1⨯0+0⨯1=1,2011||222=++=a ,2101||222=++=b .所以 21221||||cos =⋅=⋅=∠b a b a AMB . 从而 3π=∠AMB . 例3．设液体流过平面S 上面积为A 的一个区域, 液体在这区域上各点处的流速均为（常 向量)v . 设n 为垂直于S 的单位向量（图7-25(a )）, 计算单位时间内经过这区域流向n 所指一方的液体的质量P (液体的密度为ρ).解 单位时间内流过这区域的液体组成一个底面积为A 、斜高为| v |的斜柱体(图7-25(b )). 这柱体的斜高与底面的垂线的夹角就是v 与n 的夹角θ , 所以这柱体的高为| v | cos θ, 体积为A | v | cos θ = A v ·n .从而, 单位时间内经过这区域流向n 所指一方的液体的质量为P =ρA v ·n .二、两向量的向量积在研究物体转动问题时, 不但要考虑这物体所受的力, 还要分析这些力所产生的力矩. 设O 为一根杠杆L 的支点.有一个力F 作用于这杠杆上P 点处. F 与→OP 的夹角为θ . 由力学规定, 力F 对支点O 的力矩是一向量M , 它的模→θsin |||||| F M OP =, 而M 的方向垂直于→OP 与F 所决定的平面, M 的指向是的按右手规则从→OP 以不超过π的角转向F 来确定的.向量积: 设向量c 是由两个向量a 与b 按下列方式定出:c 的模 |c |=|a ||b |sin θ , 其中θ 为a 与bc 的方向垂直于a 与b 所决定的平面, c 的指向按右手规则从a 转向b 来确定.那么, 向量c 叫做向量a 与b 的向量积, 记作a ⨯b , 即c = a ⨯b .根据向量积的定义, 力矩M 等于→OP 与F 的向量积, 即→F M ⨯=OP . 向量积的性质:(1) a ⨯a = 0 ;(2) 对于两个非零向量a 、b , 如果a ⨯b = 0, 则a //b ; 反之, 如果a //b , 则a ⨯b = 0.如果认为零向量与任何向量都平行, 则a //b ⇔ a ⨯b = 0.数量积的运算律:(1) 交换律a ⨯b = -b ⨯a ;(2) 分配律: (a +b )⨯c = a ⨯c + b ⨯c .(3) (λa )⨯b = a ⨯(λb ) = λ(a ⨯b ) (λ为数).数量积的坐标表示: 设a = a x i + a y j + a z k , b = b x i + b y j + b z k . 按向量积的运算规律可得a ⨯b = ( a x i + a y j + a z k ) ⨯ ( b x i + b y j + b z k )= a x b x i ⨯i + a x b y i ⨯j + a x b z i ⨯k+a y b x j ⨯i + a y b y j ⨯j + a y b z j ⨯k+a z b x k ⨯i + a z b y k ⨯j + a z b z k ⨯k .由于i ⨯i = j ⨯j = k ⨯k = 0, i ⨯j = k , j ⨯k = i , k ⨯i = j , 所以a ⨯b = ( a y b z - a z b y ) i + ( a z b x - a x b z ) j + ( a x b y - a y b x ) k .为了邦助记忆, 利用三阶行列式符号, 上式可写成zy x z y x b b b a a a kj i b a =⨯=a y b z i +a z b x j +a x b y k -a y b x k -a x b z j -a z b y i= ( a y b z - a z b y ) i + ( a z b x - a x b z ) j + ( a x b y - a y b x ) k . .例4 设a =(2, 1, -1), b =(1, -1, 2), 计算a ⨯b .解 211112--=⨯k j i b a =2i -j -2k -k -4j -i =i -5j -3k . 例5 已知三角形ABC 的顶点分别是A (1, 2, 3)、B (3, 4, 5)、C (2, 4, 7), 求三角形ABC 的面积.解 根据向量积的定义, 可知三角形ABC 的面积→→→→||21sin ||||21AC AB A AC AB S ABC ⨯=∠=∆. 由于→AB =(2, 2, 2), →AC =(1, 2, 4), 因此→→421222k j i =⨯AC AB =4i -6j +2k . 于是 142)6(421|264|21222=+-+=+-=∆k j i ABC S .例6 设刚体以等角速度ω 绕l 轴旋转, 计算刚体上一点M 的线速度.解 刚体绕l 轴旋转时, 我们可以用在l 轴上的一个向量ω表示角速度, 它的大小等于角速度的大小, 它的方向由右手规则定出: 即以右手握住l 轴, 当右手的四个手指的转向与刚体的旋转方向一致时, 大姆指的指向就是ω的方向.设点M 到旋转轴l 的距离为a , 再在l 轴上任取一点O 作向量r =→OM , 并以θ 表示ω与r 的夹角, 那么a = |r | sin θ .设线速度为v , 那么由物理学上线速度与角速度间的关系可知, v 的大小为|v | =| ω|a = |ω| |r | sin θv 的方向垂直于通过M 点与l 轴的平面, 即v 垂直于ω与r , 又v 的指向是使ω、r 、v 符合右手规则. 因此有v = ω⨯r .§7. 3 曲面及其方程一、曲面方程的概念在空间解析几何中, 任何曲面都可以看作点的几何轨迹. 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F (x , y , z )=0;(2) 不在曲面S 上的点的坐标都不满足方程F (x , y , z )=0,那么, 方程F (x , y , z )=0就叫做曲面S 的方程, 而曲面S 就叫做方程F (x , y , z )=0的图形.常见的曲面的方程:例1 建立球心在点M 0(x 0, y 0, z 0)、半径为R 的球面的方程.解 设M (x , y , z )是球面上的任一点, 那么|M 0M |=R .即 R z z y y x x =-+-+-202020)()()(,或 (x -x 0)2+(y -y 0)2+(z -z 0)2=R 2.这就是球面上的点的坐标所满足的方程. 而不在球面上的点的坐标都不满足这个方程. 所以(x -x 0)2+(y -y 0)2+(z -z 0)2=R 2.就是球心在点M 0(x 0, y 0, z 0)、半径为R 的球面的方程.特殊地, 球心在原点O (0, 0, 0)、半径为R 的球面的方程为x 2+y 2+z 2=R 2.例2 设有点A (1, 2, 3)和B (2, -1, 4), 求线段AB 的垂直平分面的方程.解 由题意知道, 所求的平面就是与A 和B 等距离的点的几何轨迹. 设M (x , y , z )为所求平面上的任一点, 则有|AM |=|BM |,即 222222)4()1()2()3()2()1(-+++-=-+-+-z y x z y x .等式两边平方, 然后化简得2x -6y +2z -7=0.这就是所求平面上的点的坐标所满足的方程, 而不在此平面上的点的坐标都不满足这个方程, 所以这个方程就是所求平面的方程.研究曲面的两个基本问题:(1) 已知一曲面作为点的几何轨迹时, 建立这曲面的方程;(2) 已知坐标x 、y 和z 间的一个方程时, 研究这方程所表示的曲面的形状.例3 方程x 2+y 2+z 2-2x +4y =0表示怎样的曲面？解 通过配方, 原方程可以改写成(x -1)2+(y +2)2+z 2=5.这是一个球面方程, 球心在点M 0(1, -2, 0)、半径为5=R .一般地, 设有三元二次方程Ax 2+Ay 2+Az 2+Dx +Ey +Fz +G =0,这个方程的特点是缺xy , yz , zx 各项, 而且平方项系数相同, 只要将方程经过配方就可以化成方程(x -x 0)2+(y -y 0)2+(z -z 0)2=R 2.的形式, 它的图形就是一个球面.二、旋转曲面以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面叫做旋转曲面, 这条定直线叫做旋转曲面的轴.设在yO z 坐标面上有一已知曲线C , 它的方程为f (y , z ) =0,把这曲线绕z 轴旋转一周, 就得到一个以z 轴为轴的旋转曲面. 它的方程可以求得如下: 设M (x , y , z )为曲面上任一点, 它是曲线C 上点M 1(0, y 1, z 1)绕z 轴旋转而得到的. 因此有如下关系等式0) ,(11=z y f , 1z z =, 221||y x y +=,从而得 0) ,(22=+±z y x f ,这就是所求旋转曲面的方程.在曲线C 的方程f (y , z )=0中将y 改成22y x +±, 便得曲线C 绕z 轴旋转所成的旋转曲面的方程0) ,(22=+±z y x f .同理, 曲线C 绕y 轴旋转所成的旋转曲面的方程为0) ,(22=+±z x y f .例4 直线L 绕另一条与L 相交的直线旋转一周, 所得旋转曲面叫做圆锥面. 两直线的交点叫做圆锥面的顶点, 两直线的夹角α (20πα<<)叫做圆锥面的半顶角. 试建立顶点在坐标原点O , 旋转轴为z 轴, 半顶角为α的圆锥面的方程.解 在yO z 坐标面内, 直线L 的方程为z =y cot α ,将方程z =y cot α 中的y 改成22y x +±, 就得到所要求的圆锥面的方程αc o t 22y x z +±=,或z 2=a 2 (x 2+y 2),其中a =cot α .例5. 将zOx 坐标面上的双曲线12222=-cza x分别绕x 轴和z 轴旋转一周, 求所生成的旋转曲面的方程.解 绕x 轴旋转所在的旋转曲面的方程为122222=+-c z y a x ; 绕z 轴旋转所在的旋转曲面的方程为122222=-+cz a y x . 这两种曲面分别叫做双叶旋转双曲面和单叶旋转双曲面.三、柱面例6 方程x 2+y 2=R 2表示怎样的曲面？解 方程x 2+y 2=R 2在xOy 面上表示圆心在原点O 、半径为R 的圆. 在空间直角坐标系中, 这方程不含竖坐标z , 即不论空间点的竖坐标z 怎样, 只要它的横坐标x 和纵坐标y 能满足这方程, 那么这些点就在这曲面上. 也就是说, 过xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2, 且平行于z 轴的直线一定在x 2+y 2=R 2表示的曲面上. 所以这个曲面可以看成是由平行于z 轴的直线l 沿xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2移动而形成的. 这曲面叫做圆柱面, xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2叫做它的准线, 这平行于z 轴的直线l 叫做它的母线.例6 方程x 2+y 2=R 2表示怎样的曲面？解 在空间直角坐标系中, 过xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2作平行于z 轴的直线l , 则直线l 上的点都满足方程x 2+y 2=R 2, 因此直线l 一定在x 2+y 2=R 2表示的曲面上. 所以这个曲面可以看成是由平行于z 轴的直线l 沿xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2移动而形成的. 这曲面叫做圆柱面, xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2叫做它的准线, 这平行于z 轴的直线l 叫做它的母线.柱面: 平行于定直线并沿定曲线C 移动的直线L 形成的轨迹叫做柱面, 定曲线C 叫做柱面的准线, 动直线L 叫做柱面的母线.上面我们看到, 不含z 的方程x 2+y 2=R 2在空间直角坐标系中表示圆柱面, 它的母线平行于z 轴, 它的准线是xOy 面上的圆x 2+y 2=R 2.一般地, 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, 其准线是xOy 面上的曲线C : F (x , y )=0.例如, 方程y 2=2x 表示母线平行于z 轴的柱面, 它的准线是xOy 面上的抛物线y 2 =2x , 该柱面叫做抛物柱面.又如, 方程 x -y =0表示母线平行于z 轴的柱面, 其准线是xOy 面的直线 x -y =0, 所以它是过z 轴的平面.类似地, 只含x 、z 而缺y 的方程G (x , z )=0和只含y 、z 而缺x 的方程H (y , z )=0分别表示母线平行于y 轴和x 轴的柱面.例如, 方程 x -z =0表示母线平行于y 轴的柱面, 其准线是zOx 面上的直线 x -z =0. 所以它是过y 轴的平面.四、二次曲面与平面解析几何中规定的二次曲线相类似, 我们把三元二次方程所表示的曲面叫做二次曲面. 把平面叫做一次曲面.怎样了解三元方程F (x , y , z )=0所表示的曲面的形状呢? 方法之一是用坐标面和平行于坐标面的平面与曲面相截, 考察其交线的形状, 然后加以综合, 从而了解曲面的立体形状. 这种方法叫做截痕法.研究曲面的另一种方程是伸缩变形法:设S 是一个曲面, 其方程为F (x , y , z )=0, S '是将曲面S 沿x 轴方向伸缩λ倍所得的曲面.显然, 若(x , y , z )∈S , 则(λx , y , z )∈S '; 若(x , y , z )∈S ', 则S z y x ∈) , ,1(. 因此, 对于任意的(x , y , z )∈S ', 有0) , ,1(=z y x F , 即0) , ,1(=z y x F 是曲面S '的方程.例如，把圆锥面2222z a y x =+沿y 轴方向伸缩ab 倍, 所得曲面的方程为 2222)(z a y b a x =+, 即22222z by a x=+.(1)椭圆锥面由方程22222z by a x =+所表示的曲面称为椭圆锥面. 圆锥曲面在y 轴方向伸缩而得的曲面.把圆锥面2222z a y x =+沿y 轴方向伸缩a b 倍, 所得曲面称为椭圆锥面22222z b y a x =+. 以垂直于z 轴的平面z =t 截此曲面, 当t =0时得一点(0, 0, 0); 当t ≠0时, 得平面z =t 上的椭圆 1)()(2222=+bt y at x . 当t 变化时, 上式表示一族长短轴比例不变的椭圆, 当|t |从大到小并变为0时, 这族椭圆从大到小并缩为一点. 综合上述讨论, 可得椭圆锥面的形状如图.(2)椭球面由方程1222222=++czb y a x所表示的曲面称为椭球面. 球面在x 轴、y 轴或z 轴方向伸缩而得的曲面.把x 2+y 2+z 2=a 2沿z 轴方向伸缩a c 倍, 得旋转椭球面122222=++c z a y x ; 再沿y 轴方向伸缩a b 倍, 即得椭球面1222222=++cz b y a x . (3)单叶双曲面由方程1222222=-+czb y a x所表示的曲面称为单叶双曲面. 把zOx 面上的双曲线12222=-c z a x 绕z 轴旋转, 得旋转单叶双曲面122222=-+cz a y x ; 再沿y 轴方向伸缩a b 倍, 即得单叶双曲面1222222=-+cz b y a x . (4)双叶双曲面由方程1222222=--cz b y a x 所表示的曲面称为双叶双曲面. 把zOx 面上的双曲线12222=-c z a x 绕x 轴旋转, 得旋转双叶双曲面122222=+-cy z a x ; 再沿y 轴方向伸缩c b 倍, 即得双叶双曲面1222222=--czb ya x. (5)椭圆抛物面由方程z by a x =+2222所表示的曲面称为椭圆抛物面. 把zOx 面上的抛物线z a x =22绕z 轴旋转, 所得曲面叫做旋转抛物面z a y x =+222, 再沿y 轴方向伸缩a b 倍, 所得曲面叫做椭圆抛物面z by a x =+2222 (6)双曲抛物面.由方程z by a x =-2222所表示的曲面称为双曲抛物面. 双曲抛物面又称马鞍面.用平面x =t 截此曲面, 所得截痕l 为平面x =t 上的抛物线2222a t z b y -=-, 此抛物线开口朝下, 其项点坐标为) ,0 ,(22at t . 当t 变化时, l 的形状不变, 位置只作平移, 而l 的项点的轨迹L 为平面y =0上的抛物线22axz =. 因此, 以l 为母线, L 为准线, 母线l 的项点在准线L 上滑动, 且母线作平行移动, 这样得到的曲面便是双曲抛物面.还有三种二次曲面是以三种二次曲线为准线的柱面:12222=+b y a x , 12222=-by a x , ay x =2, 依次称为椭圆柱面、双曲柱面、抛物柱面.§7. 4 空间曲线及其方程一、空间曲线的一般方程空间曲线可以看作两个曲面的交线. 设F (x , y , z )=0和G (x , y , z )=0是两个曲面方程, 它们的交线为C . 因为曲线C 上的任何点的坐标应同时满足这两个方程, 所以应满足方程组⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F . 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, 所以它的坐标不满足方程组.因此, 曲线C 可以用上述方程组来表示. 上述方程组叫做空间曲线C 的一般方程.例1 方程组⎩⎨⎧=+=+632122z x y x 表示怎样的曲线? 解 方程组中第一个方程表示母线平行于z 轴的圆柱面, 其准线是xOy 面上的圆, 圆心在原点O , 半行为1. 方程组中第二个方程表示一个母线平行于y 轴的柱面, 由于它的准线是zOx 面上的直线, 因此它是一个平面. 方程组就表示上述平面与圆柱面的交线.例2 方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+---=222222)2()2(a y a x y x a z 表示怎样的曲线? 解 方程组中第一个方程表示球心在坐标原点O , 半行为a 的上半球面. 第二个方程表示母线平行于z 轴的圆柱面, 它的准线是xOy 面上的圆, 这圆的圆心在点)0 ,2(a , 半行为2a . 方程组就表示上述半球面与圆柱面的交线.例2' 方程组⎩⎨⎧=+---=222222)(4ay a x y x a z 表示怎样的曲线? 解 方程组中第一个方程表示球心在坐标原点O , 半行为2a 的上半球面. 第二个方程表示母线平行于z 轴的圆柱面, 它的准线是xOy 面上的圆, 这圆的圆心在点(a , 0) , 半行为a . 方程组就表示上述半球面与圆柱面的交线.二、空间曲线的参数方程空间曲线C 的方程除了一般方程之外, 也可以用参数形式表示, 只要将C 上动点的坐标x 、y 、z 表示为参数t 的函数:⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z z t y y t x x .当给定t =t 1时, 就得到C 上的一个点(x 1, y 1, z 1); 随着t 的变动便得曲线C 上的全部点. 方程组(2)叫做空间曲线的参数方程.例3 如果空间一点M 在圆柱面x 2+y 2=a 2 上以角速度ω绕z 轴旋转, 同时又以线速度v 沿平行于z 轴的正方向上升(其中ω、v 都是常数), 那么点M 构成的图形叫做螺旋线. 试建立其参数方程.解 取时间t 为参数. 设当t =0时, 动点位于x 轴上的一点A (a , 0, 0)处. 经过时间t , 动点由A 运动到M (x , y , z )(图7-44). 记M 在xOy 面上的投影为M ', M '的坐标为x , y ,0. 由于动点在圆柱面上以角速度ω 绕 z 轴旋转, 所以经过时间t ,∠AOM '= ω t . 从而x =|OM '|cos ∠AOM '=a cos ω t ,y =|OM '|sin ∠AOM '=a sin ω t ,由于动点同时以线速度v 沿平行于 z 轴的正方向上升, 所以z =MM '=vt .因此螺旋线的参数方程为。
高等数学同济7版精品智能课件-第7章-第3节-齐次方程
x X h,
y
Y
k
,
其中 h 和 k 是待定的常数. 于是原方程可化为
第三节 齐次方程
dy ax by c dx a1x b1 y c1
x X h
y
Y
k
dY aX bY ah bk c
.
dX a1X b1Y a1h b1k c1
下面分两种情况讨论.
1. a1 b1
第三节 齐次方程
一、齐次方程 *二、可化为齐次的方程
第三节 齐次方程
一、齐次方程
1. 定义
定义 如一阶微分方程 dy f (x, y) 可化成
dx
dy y
dx x 的形式， 则称该一阶微分方程为齐次方程.
第三节 齐次方程
dy y
dx x
2. 解法
令 u y , 则 y ux , dy u du , 于是原方程化为
解 原方程变形，得
dy 2x y4 , dx x y 1
令
x X h,
y
Y
k
,
代入方程，得
dY 2X Y 2h k 4 , dX X Y h k 1
dy ax by c .
dx (ax by) c1
令 v = ax + by ，则 dv a b dy , 于是原方程成为
dx
dx
1 dv a v c . 可分离变量的方程
b dx v c1
第第三三节节 齐齐次次方方程程
例例44 解微分方程 (2x y 4)dx (x y 1)dy 0.
x
dx
dx
x du (u) u .
dx 这为可分离变量的微分方程.
第第三三节节 齐齐次次方方程程
高数同济六版课件D77常系数齐次线性微分方程
欧拉方法的优点是简单易行，但缺点是收 敛速度较慢，需要较 大的步长才能得到较 好的近似解
描述振动和波：常系数齐次线性微分方程可以用来描述振动和波的传播，如弹簧振子、 声波、电磁波等。
热传导方程：常系数齐次线性微分方程可以用来描述热传导现象，如热传导方程。
扩散方程：常系数齐次线性微分方程可以用来描述扩散现象，如扩散方程。
流体力学：常系数齐次线性微分方程可以用来描述流体力学现象，如流体力学中的拉普 拉斯方程。
控制理论：用于描述和控制系统的动态行为 信号处理：用于分析信号的频率特性和滤波器设计 电路分析：用于分析电路的动态响应和稳定性 机械振动：用于分析机械系统的振动特性和稳定性
经济增长模型：用于描述和预测经济增长 消费储蓄模型：用于分析消费者行为和储蓄决策 投资决策模型：用于评估投资项目的可行性和回报率 货币供应模型：用于分析货币供应对经济的影响 汇率模型：用于预测汇率变动和影响因素 财政政策模型：用于评估财政政策的效果和影响
缺点：收敛速度慢，误差较 大
改进方法：改进欧拉方法， 如改进欧拉方法、龙格-库 塔方法等
龙格-库塔方法是一种常用的数值积分方法，用于求解常系数齐次线性微分方程 龙格-库塔方法的基本思想是将微分方程转化为差分方程，然后利用数值积分方法求解 龙格-库塔方法的优点是稳定性好，收敛速度快，适用于求解常系数齐次线性微分方程 龙格-库塔方法的缺点是计算量较大，需要多次迭代才能得到精确解
定义：一组线性 微分方程，每个 方程的未知函数 相同，但系数不 同
解：线性微分方 程组的解可以是 一个向量函数， 也可以是一个矩 阵函数
性质：线性微分 方程组的解具有 线性叠加性
应用：线性微分 方程组在物理学、 工程学等领域有 广泛应用，如电 路分析、控制系 统设计等
高数同济7.3齐次微分方程
du f ( u) u 即 . dx x
可分离变量的方程
当 f ( u) u 0时, 得
即 x Ce
(u )
du ln | x | C ln C1 x , f ( u) u
, （ ( u )
du ） f ( u) u
y ( ) x
y 将 u 代入, x
是否为齐次方程? 思考题解答 方程两边同时对 x 求导:
2 y x 2 y 2 y xy, xy x y y ,
2 2
y y y 1 , x x
2
原方程是齐次方程.
2
解
2u 2 u u xu , 2 1 u u
1 u u2 dx [ ]du , 2 3 2u 3u u x
1 1 1 2 1 dx [ ( ) ]du , 2 u 2 u u 2 u1 x
1 1 1 2 1 dx [ ( ) ]du , 2 u 2 u u 2 u1 x
二、小结 齐次方程
dy y f ( ). dx x
y 齐次方程的解法 令 u . x
其它变量代换: 令u xy ,
作业:P309:1-(2)(4)(6) , 2-(1)(3)
令 x y u,
思考题
方程
0
x
2 y(t )
t 2 y 2 ( t ) dt xy( x )
3 1 ln | u 1 | ln | u 2 | ln | u | ln | x | ln C1 , 2 2
| u 1| |u||u2|
3 2
Cx .
代
y u , x