5、空间曲面与空间曲线
空间曲面与空间曲线
x x 0 2 y y 0 2 z z 0 2 R 2
(球面方程的标准式)
特殊地：球心在原点时方程为 x2y2z2R2
将标准方程展开得
x 2 y 2 z 2 2 x 0 x 2 y 0 y 2 z 0 z x 0 2 y 0 2 z 0 2 R 2 0 由此可见球面方程的特点
(2 ) abc,
x2 a2
ay22
az22
1
球面
2 双曲面
z
x2 a2
by22
cz22
1
单叶双曲面
z
o
x
o y
x
y
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
双叶双曲面
3 抛物面
x2 y2 z （ p与 同q 号） 2 p 2q 设 p0,q0，图形如下：
椭圆抛物面
cz22
1
椭球面与平面 z z1
o y
的交线为椭圆
a2 c2
x2 (c2
z12)
b2 c2
y2 (c2
x
z12)
1
z z1
| z1|c
同理与平面 x和x1 y的交y1线也是椭圆.
椭球面的几种特殊情况：
(1) ab,
x2 a2
ay22
cz22
1
旋转椭球面
§7.5 空间曲面与空间曲线
一 曲面方程的概念 二 曲线方程的概念 三 二次曲面的截痕法
一 曲面方程的概念
1 曲面方程的定义
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； （2）不在曲面 S上的点的坐标都不满足方程； 那么，方程 F (x,y,z)0就叫做曲面 S的方程， 而曲面 S 就叫做方程的图形．
空间几何中的曲面方程与空间曲线的应用
空间几何中的曲面方程与空间曲线的应用在空间几何中，曲面方程和空间曲线是两个重要的概念。
曲面方程描述了一个在三维空间中具有特定形状和性质的曲面，而空间曲线则描述了一个在三维空间中的曲线路径。
这两个概念在数学、物理学和工程学等领域中都有广泛的应用。
一、曲面方程的基本概念与应用曲面方程是用来描述曲面形状和性质的数学方程。
在空间几何中，常见的曲面方程包括球面方程、柱面方程和锥面方程等。
1. 球面方程的应用球面方程是描述一个圆心和半径确定的球面的方程。
在物理学中，球面方程被广泛应用于描述天体运动、电荷分布以及声波传播等现象。
例如，根据球面方程可以计算出地球的形状和大小，并用于导航系统的定位。
此外，球面方程还可以用于计算球形容器的容积和表面积，对工程设计有着重要的意义。
2. 柱面方程的应用柱面方程是描述一个平行于一个直线轴的曲面的方程。
柱面在建筑设计和机械工程中有着广泛的应用。
例如，在建筑设计中，柱面方程被用来描述建筑物的立柱和圆柱体结构，以确保结构的稳定性和坚固性。
另外，在机械工程中，柱面方程也被用来描述容器、管道和汽缸等具有圆柱形状的物体。
3. 锥面方程的应用锥面方程是描述由一条直线和一个尖点组成的曲面的方程。
锥面在物理学和光学中有着广泛的应用。
例如，在物理学中，锥面方程可以用来描述电荷分布和电场强度等现象。
在光学中，锥面方程被用来描述光学器件（如透镜）的形状和功能，进而实现光的聚焦和折射效果。
二、空间曲线的基本概念与应用空间曲线是描述一个在三维空间中的曲线路径的数学概念。
空间曲线的表示方法可以使用参数方程、一般方程和向量方程等多种形式。
1. 参数方程的应用参数方程是使用一个或多个参数来表示曲线上的点的坐标。
参数方程在物理学和工程学中被广泛应用。
例如，在物理学中，使用参数方程可以描述粒子在空间中的运动轨迹，从而研究物体的速度、加速度等运动特性。
在工程学中，参数方程可以用于设计曲线形状的物体，如汽车车身曲线和船体曲线等。
高等数学中的空间曲线与曲面
参数定义：参数是描述曲面上点位 置的变量，通常用两个参数表示。
参数选择：参数的选择对于曲面的 形状和性质有很大影响，不同的参 数选择会导致不同的曲面形状。
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参数方程：参数方程是描述曲面上 的点与参数值之间关系的方程组， 通常由两个参数方程组成。
参数方程的应用：参数方程在几何、 物理、工程等领域都有广泛应用， 是描述复杂曲面形状的重要工具。
的任意曲线。
参数曲线：通 过参数方程定 义的曲线，参 数可以是时间、 角度或其他量。
极坐标曲线： 通过极坐标方 程定义的曲线， 通常用于描述 圆、椭圆等形
状。
曲率：描述曲线在某一点的弯曲程 度
曲线的方向：通过切线方向和法线 方向确定曲线的方向
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挠率：描述曲线在垂直于给定点的 切线方向上的弯曲程度
曲线的弯曲程度和方向在高等数学 中对于研究空间曲线的性质和几何 特性非常重要
定义：曲线的长度 是曲线上的点与原 点之间的距离之和
性质：曲线的长 度与曲线的形状、 大小和方向有关
计算方法：通过微 积分学中的定积分 来计算曲线的长度
应用：在几何学、 物理学和工程学等 领域有广泛的应用
பைடு நூலகம்
切线的定义：切线是与曲线在某一点的法线垂直的直线
性质：测地线是唯一的，而短程线可能有多个。
应用：在几何学、物理学和工程学等领域有广泛应用。
与空间曲线的区别：空间曲线上的测地线和短程线是不同的概念。
空间曲线与曲面在几何学中有着广泛的应用，如描述三维空间中的曲线和曲面。 通过空间曲线与曲面的性质，可以推导出许多重要的几何定理和性质。 空间曲线与曲面在几何学中可以用于解决一些实际问题，如计算物体的表面积和体积等。 空间曲线与曲面在几何学中还可以用于研究一些复杂的几何形状，如分形和混沌等。
解析几何中的空间曲线与曲面的关系
解析几何是数学的一个分支，它研究的是几何图形在坐标系中的表示和性质。
其中一个重要的概念就是空间曲线和曲面的关系。
本文将从几何角度探讨空间曲线与曲面之间的关系。
空间曲线是指在三维坐标系中的曲线，可以用参数方程表示。
曲面则是指在三维坐标系中的平面或者弯曲的曲面。
空间曲线与曲面的关系可以通过曲线与曲面的交点来刻画。
当一个曲线与一个曲面相交时，我们可以通过求解曲线与曲面的方程联立方程组来得到交点的坐标。
在解析几何中，曲线与曲面的交点数目可能有三种情况：零个交点、一个交点和多个交点。
当曲线与曲面没有交点时，我们可以得出结论这条曲线不与这个曲面相交。
当曲线与曲面有一个交点时，我们可以得出结论这条曲线与这个曲面相切于交点。
当曲线与曲面有多个交点时，我们需要进一步研究求出这些交点的坐标。
对于曲线与曲面多个交点的情况，我们可以通过求解曲线与曲面的参数方程联立方程组来得到交点的坐标。
将曲线的参数方程代入曲面的方程中，然后解方程组，得到交点的坐标。
这种方法可以准确求解交点的坐标，从而得到曲线与曲面的关系。
在解析几何中，还有一种特殊的情况，即曲线与曲面相切于一个点。
当曲线与曲面相切于一个点时，我们称这个点为曲线在曲面上的切点。
切点是曲线和曲面之间的特殊关系，可以用来研究曲线在曲面上的运动轨迹。
通过研究切点的性质，我们可以得到曲线在曲面上的切线方向和曲面的法线方向。
曲线在曲面上的切线方向是曲线在切点处的切线方向。
切线方向与曲线的斜率有关，可以通过求解曲线在切点处的导数得到。
曲线在曲面上的切线方向可以用来研究曲线与曲面的相切性质。
曲面的法线方向是曲面在切点处的法线方向。
法线方向与曲面的切平面垂直，可以用来研究曲面的性质和方向。
曲线在曲面上的切线方向和曲面的法线方向可以用来研究曲线与曲面的相对位置和变化趋势。
综上所述，解析几何中的空间曲线与曲面的关系可以通过曲线与曲面的交点来刻画。
当曲线与曲面有交点时，我们可以通过求解方程组来得到交点的坐标。
空间曲线与曲面的参数方程
空间曲线与曲面的参数方程空间曲线和曲面是数学中的重要概念，它们在几何学、物理学和工程学等领域都有广泛的应用。
曲线和曲面的参数方程是一种描述它们的有效方法。
本文将介绍空间曲线和曲面的概念，并详细讨论它们的参数方程表示。
一、空间曲线的参数方程空间曲线是由一系列点组成的，这些点在三维坐标系中具有一定的规律和特点。
为了描述和研究这些曲线，我们需要引入参数方程。
一个常见的空间曲线的参数方程形式为：x = f(t)y = g(t)z = h(t)其中，x、y、z分别表示点在三维坐标系中的坐标，f(t)、g(t)、h(t)是一个或多个关于参数t的函数。
例如，我们考虑描述一个处于平面上的圆的参数方程：x = r*cos(t)y = r*sin(t)z = 0其中，r是圆的半径，t是参数，范围一般取决于所研究的具体问题。
二、空间曲面的参数方程空间曲面是可以用曲面方程描述的几何实体，它由一系列点构成，这些点与曲面方程满足一定的关系。
为了研究和描述曲面，我们引入曲面的参数方程。
一个常见的空间曲面的参数方程形式为：x = f(u, v)y = g(u, v)z = h(u, v)其中，x、y、z分别表示点在三维坐标系中的坐标，f(u, v)、g(u, v)、h(u, v)是一个或多个关于参数u和v的函数。
例如，我们考虑描述一个球体的参数方程：x = R*sin(u)*cos(v)y = R*sin(u)*sin(v)z = R*cos(u)其中，R是球体的半径，u和v是参数，u的范围一般取[0,π]，v的范围一般取[0,2π]。
三、应用举例1. 机械工程中的齿轮曲面齿轮是机械传动中常用的装置，它的曲面形状可以用参数方程描述。
齿轮的曲面参数方程可以根据其几何特性和设计要求进行推导和计算。
2. 物理学中的光学曲面在光学研究中，曲面的形状对于光的传播有着重要的影响。
光学曲面的参数方程可以帮助我们计算光的传播路径和光线的反射、折射等特性。
附录空间曲面与空间曲线
柱面，其准线为xoz面上曲线. : 只含 y,z 而缺 z 的方程F( y, z) 0，
Fy( x,
z) 0
0
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yoz面上曲线.
:
Fx(
y,
z) 0
0
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实 例
y2 b2
z2 c2
1椭圆柱面// x
轴
准线为：
y2 b2
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以下给出几例常见的曲面： 例 建立球心在点 M0( x0 , y0 , z0 ) 半径为R 的球面方程. 解 设M( x, y, z)是球面上任一点， 根据题意有 | MM0 | R
x x0 2 y y0 2 z z0 2 R 所求方程为 x x0 2 y y0 2 z z0 2 R2
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:0 0 , z :b0 b0 b, 即 2时, 上升的高度 h 2b 螺距
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五、空间曲线在坐标面上的投影
设空间曲线的一般方程：GF((xx,,
y, z) y, z)
0 0
消去变量z后得：H ( x, y) 0
曲线关于 xoy的投影柱面 投影柱面的特征：
以此空间曲线为准线，垂直于所投影的坐标面.
o
空间曲线与空间曲面
空间曲线与空间曲面空间曲线和空间曲面是数学几何学中的重要概念，它们在描述和分析三维物体的形状和特征时起着关键作用。
本文将就空间曲线和空间曲面的定义、性质和应用进行深入探讨。
一、空间曲线的定义与性质空间曲线是三维空间中的一条连续曲线，它由一系列相互关联的点组成。
可以用参数方程或者向量函数来表示，以便对其进行解析研究。
常见的空间曲线有直线、曲线和闭合曲线等。
直线是最简单的空间曲线，可由两个不同的点确定。
曲线则弯曲或扭转，并有无数个点组成。
闭合曲线是形状回到起点的曲线，如圆或椭圆。
空间曲线具有以下重要性质：1. 弧长：空间曲线的长度称为其弧长，可以通过对曲线进行参数化和积分计算得到。
2. 切线：对于空间曲线上的每个点，都有一个切线与其相切。
切线是曲线在该点弯曲方向上的极限。
3. 曲率：曲线的曲率描述了曲线在某点处的弯曲程度。
曲率可以通过曲线的切线和法线计算得到。
4. 弯曲方向：曲线可以向左弯曲或向右弯曲，具体取决于曲线上连续两个点的位置关系。
二、空间曲面的定义与性质空间曲面是三维空间中的一个连续平面，由一系列相关的点构成。
类似于空间曲线，空间曲面也可以用参数方程或者向量函数进行表示。
常见的空间曲面有平面、球面和圆锥面等。
平面是最简单的空间曲面，由无限多个平行于其自身的直线组成。
球面由到球心距离相等的点组成。
圆锥面则由一个尖点和无数个从尖点射出的直线构成。
空间曲面具有以下重要性质：1. 切平面：对于空间曲面上的每个点，都存在一个切平面与其相切。
切平面是曲面在该点处切割曲面所得的截面。
2. 法线：曲面上每个点都有一个法线垂直于曲面。
法线方向是指在该点处曲面向外的方向。
3. 曲率：曲面的曲率描述了曲面在某点处的弯曲程度。
曲率可以通过曲面的切平面和法线计算得到。
4. 弯曲特性：曲面可以是凸的（向外弯曲）、凹的（向内弯曲）或既不凸也不凹。
三、空间曲线与空间曲面的应用空间曲线和空间曲面在实际应用中有着广泛的应用，特别是在工程学和物理学领域。
空间曲线与曲面的基本概念与性质
空间曲线与曲面的基本概念与性质空间曲线和曲面是微积分中的基本概念。
在数学中，空间曲线是通过空间中移动的点定义的对象，而曲面则是由空间中移动的曲线定义的对象。
一、空间曲线的基本概念空间曲线是通过空间中一条路径上的点定义的。
例如，考虑一条简单的曲线，如y = sin(x)，该曲线在二维平面上表示为点的集合。
然而，在三维空间中，我们可以考虑该曲线如何在不同的方向上弯曲，这就是空间曲线的概念。
空间曲线还可以用参数方程来表示，例如，对于一条平面上的曲线y = sin(x)，我们可以将其表示为 z = f(x, y) = sin(x) 的空间曲线，其中 z 表示曲线在第三个维度上的高度。
许多重要的数学对象和算法都依赖于空间曲线，例如微积分中的积分曲线、微分几何中的切向量和曲率等。
二、空间曲线的性质空间曲线有许多重要的性质，这些性质是微积分中的基本概念。
1. 方向性：空间曲线沿某个方向运动时有所不同，这是由于空间曲线的切向量在不同方向上的变化不同。
2. 曲率：空间曲线的曲率表示曲线在某一点处的弯曲程度。
曲线的曲率越大，说明该点处曲线的弯曲程度越大。
3. 弧长：空间曲线的弧长是曲线的长度。
计算曲线弧长可以方便计算曲线上的其他性质。
三、曲面的基本概念曲面是经过空间中一条路径上的所有点的集合定义的对象。
曲面可以通过约束曲线（例如，平面或抛物线）的运动来定义。
例如，考虑一个平面曲线 y = sin(x)，我们可以对其进行旋转来构建一个圆柱体的曲面。
类似的，我们可以通过旋转一个椭圆来构建一个椭球体的曲面。
曲面也可以用参数方程来表示，例如，对于一个平面曲线 y = sin(x)，我们可以将其表示为 z = f(x, y) = sin(x) 的曲面，其中 z 表示曲面在第三个维度上的高度。
四、曲面的性质曲面是微积分中的基本概念，具有许多重要的性质。
1. 切向量：曲面在某个点处的切向量是曲面在该点处切线的方向向量。
2. 法向量：曲面在某个点处的法向量是垂直于曲面切线的向量。
空间曲线与曲面的参数方程与性质
空间曲线与曲面的参数方程与性质空间曲线和曲面是数学中重要的概念，它们在几何学和物理学等领域中有广泛的应用。
本文将介绍空间曲线和曲面的参数方程以及它们的性质。
一、空间曲线的参数方程与性质空间曲线是指在三维空间中由一组点构成的连续曲线。
为了描述和研究曲线的性质，可以使用参数方程来表示曲线上的点的坐标。
设曲线上的点的坐标为(x, y, z)，曲线的参数为t，则曲线的参数方程可以表示为：x=f(t)y=g(t)z=h(t)其中f(t)，g(t)，h(t)是t的函数，且在t的定义域上连续可导。
空间曲线的参数方程可以灵活地描述曲线的形状，在计算和分析上也更具优势。
根据具体的问题和曲线的特点，可以选择不同的参数方程来表达。
根据参数方程，可以计算曲线上各个点的切向量、曲率、弧长等性质。
切向量表示曲线在该点的切线方向，曲率描述曲线在该点的弯曲程度，而弧长则是曲线上两个点之间的距离。
二、空间曲面的参数方程与性质空间曲面是指在三维空间中由一组点构成的连续曲面。
为了描述和研究曲面的性质，同样可以使用参数方程来表示曲面上的点的坐标。
设曲面上的点的坐标为(x, y, z)，曲面的参数为u和v，则曲面的参数方程可以表示为：x=f(u, v)y=g(u, v)z=h(u, v)其中f(u, v)，g(u, v)，h(u, v)是u和v的函数，且在参数域上连续可导。
空间曲面的参数方程可以将曲面分解成u和v两个变量的函数，对于复杂的曲面，参数方程的使用相对简单和便捷。
通过参数方程可以计算曲面上各个点的法向量、曲率、面积等性质。
法向量表示曲面在该点的法线方向，曲率描述曲面在该点的弯曲程度，而面积则是曲面上某一区域的大小。
三、空间曲线与曲面的参数方程的关系与应用空间曲线和曲面的参数方程之间存在密切的联系。
实际上，曲线可以被看作是曲面上的一条特殊轨迹。
通过曲线的参数方程，可以确定曲线在曲面上的位置和方向。
而通过曲面的参数方程，可以描述曲线所在的曲面的形状和性质。
空间中曲线与曲面方程
空间中曲线与曲面方程在三维空间中，曲线和曲面是几何学中重要的概念，在数学和物理学等领域有广泛的应用。
曲线是指在空间中表示为一系列点的集合，而曲面是在空间中表示为一系列点的集合的一个二维面。
本文将就空间中曲线与曲面方程进行探讨。
一、空间曲线的方程在三维空间中，曲线可以用参数方程或者一般方程来表示。
参数方程是指将曲线的坐标用参数表示，例如(x(t), y(t), z(t))。
每个参数t对应曲线上的一个点。
一般方程则是通过给出曲线上的点满足的关系式来表示，例如F(x, y, z) = 0。
参数方程的优势在于可以轻松描述曲线的形状，通常直接从曲线的定义出发，选择合适的参数方程。
而一般方程则更适合用于描述曲线的性质和特征。
二、空间曲面的方程空间中的曲面可以用参数方程、一般方程或者隐函数方程来表示。
参数方程类似于曲线的参数方程，将曲面上的点用参数表示，例如(x(u, v), y(u, v), z(u, v))。
每个参数对应曲面上的一个点。
一般方程则通过给出曲面上的点满足的关系式来表示，例如F(x, y, z) = 0。
隐函数方程则将曲面的方程化简为一个关于x、y、z的方程，例如F(x, y, z) = 0。
选择曲面的方程格式取决于具体的问题和需求。
参数方程可以直观地描述曲面的形状，适用于绘制和计算曲面上的点。
一般方程和隐函数方程更适合用于分析曲面的性质和特征。
三、曲线和曲面的方程求解对于空间中的曲线和曲面方程，求解其解析式是数学中一个重要的问题。
有时可以通过直接求解得到解析式，有时需要借助计算机和数值方法进行求解。
对于一些简单的曲线和曲面方程，可以通过代数运算得到解析式。
例如对于一条直线，可以通过给出直线上两点的坐标，然后通过两点间的直线方程求解出直线的解析式。
对于一些复杂的曲线和曲面方程，可以通过数值方法进行求解，如迭代法、线性插值等，以获得近似解。
四、曲线和曲面方程的应用曲线和曲面方程在数学和物理学中有广泛的应用。
空间曲线与空间曲面
空间曲线与空间曲面空间曲线和空间曲面是数学中重要的概念，它们在几何学、物理学以及计算机图形学等领域中都有着广泛的应用。
本文将对空间曲线和空间曲面进行详细的介绍，并探讨它们的特性和性质。
一、空间曲线空间曲线是三维空间中的曲线，可以用参数方程或者向量方程来表示。
参数方程是指将曲线上的点表示为参数 t 的函数，通常用向量形式表示。
向量方程则是直接用向量表示曲线上的点，一般形式为 r(t) =(x(t), y(t), z(t))，其中 x(t)，y(t)，z(t) 分别表示曲线在 x、y、z 轴上的坐标。
空间曲线可以分为直线和曲线两种形式。
直线是最简单的空间曲线，可以用一个点和一个方向向量来确定。
曲线则更为复杂，可以是一段圆弧、螺旋线或者任意曲线。
二、空间曲面空间曲面是三维空间中的曲面，可以用方程、参数方程或者向量方程来表示。
方程形式的空间曲面通常为 F(x, y, z) = 0，其中 F(x, y, z) 是一个关于 x、y、z 的函数。
参数方程和向量方程也可以用来表示空间曲面，其中参数方程将曲面上的点表示为参数 u、v 的函数，向量方程则直接用向量表示曲面上的点。
空间曲面可以分为封闭曲面和非封闭曲面。
封闭曲面是指四面都封闭的曲面，比如球体或者圆柱体。
而非封闭曲面则是有开口的曲面，比如抛物面或者双曲面。
三、空间曲线的特性和性质1. 切线与法线：空间曲线上的每个点都有一个切线和一个法线。
切线是与曲线相切的直线，其斜率等于曲线在该点的导数；法线则垂直于切线，并与切线构成曲线的法平面。
2. 弧长和曲率：空间曲线的弧长是曲线上的两点间距离。
曲率是衡量曲线弯曲程度的指标，可以通过曲线的切线和法线计算得到。
3. 参数化表示：空间曲线的参数化表示可以使曲线更加灵活，方便计算和研究。
不同的参数化方式可以得到不同的曲线形状。
四、空间曲面的特性和性质1. 曲面方程：空间曲面可以用方程、参数方程或者向量方程表示。
方程形式的曲面方程通常是一个关于 x、y、z 的等式，可以反映曲面上点的坐标特性。
空间曲线与曲面
空间曲线与曲面空间曲线和曲面是几何学中的重要概念，它们在数学、物理学以及工程学等领域都有广泛的应用。
本文将介绍空间曲线和曲面的基本概念，并讨论它们的性质和应用。
一、空间曲线空间曲线是指在三维空间中由一组点按照一定规律组成的线条。
通常情况下，我们可以用参数方程或者向量函数来描述一条空间曲线。
1. 参数方程参数方程是一种用参数表示变量关系的方法。
对于空间曲线而言，参数方程可以表示为：x = f(t)y = g(t)z = h(t)其中，x、y、z分别表示曲线上一点的坐标，f(t)、g(t)、h(t)是关于参数t的函数。
通过改变参数t的取值范围，我们可以得到曲线上不同点的坐标。
2. 向量函数向量函数是一种将向量与参数相关联的函数。
对于空间曲线而言，向量函数可以表示为：r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k其中，r(t)表示曲线上一点的位置向量，i、j、k是空间直角坐标系的单位向量，x(t)、y(t)、z(t)是关于参数t的函数。
通过改变参数t的取值范围，我们可以得到曲线上不同点的位置向量。
二、空间曲面空间曲面是指在三维空间中由曲线按照一定规律延伸得到的平面或者曲面。
与空间曲线类似，我们可以用参数方程或者向量函数来描述一个空间曲面。
1. 参数方程参数方程可以用来表示平面或曲面上每一个点的坐标。
对于空间曲面而言，参数方程可以表示为：x = f(u, v)y = g(u, v)z = h(u, v)其中，x、y、z分别表示曲面上一点的坐标，f(u, v)、g(u, v)、h(u, v)是关于参数u和v的函数。
通过改变参数u和v的取值范围，我们可以得到曲面上不同点的坐标。
2. 向量函数向量函数可以用来表示曲面上每一个点的位置向量。
对于空间曲面而言，向量函数可以表示为：r(u, v) = x(u, v)i + y(u, v)j + z(u, v)k其中，r(u, v)表示曲面上一点的位置向量，i、j、k是空间直角坐标系的单位向量，x(u, v)、y(u, v)、z(u, v)是关于参数u和v的函数。
空间曲面与空间曲线资料
S
y
N(x, y, 0)
点N满足方程，故点M满足方程
曲面S外的每一点都不满足方程
一般柱面 F(y, z)=0
(不含x)
z 准线
F( y, z )=0
x=0
母线 0 y
x
F(y,z)=0表示母线平行于x轴的柱面
椭圆柱面
z
x2 y2 1
a2 b2
o
y
x
双曲柱面 z
x2 z2 a2 b2 1
如图，取，为参数
则球心在原点的球面方程等价于：
x R sin cos
y
R
si n
si n
z R cos
0 2
0
x
z
N M（x,y,z）
R
y
Qθ
P
为球心在原点、半径为R的球面的参数方程。
一般地,曲面的参数方程
x x(u, v) 可表示为： y y(u, v)
z z(u, v)
二、柱面
定义 平行于定直线并沿定曲线 C 移动的直线 L 所形成的曲面称为柱面.
这条定曲线 C 叫柱面的准线，动直线 L 叫柱面的 母线.
一般柱面 F(x,y)=0
(不含z)
F(x,y)=0表示母线平行于z轴的柱面
z 曲面S上每一点都满足方程；
母线
x F( x,y )=0 准线 z= 0
M (x,y,z) 0
解: 原方程可改写为 (x 1)2 + (y + 2)2 + z2 = 5
故: 原方程表示球心在M0(1, 2, 0), 半径为 5的球面.
以上几例表明研究空间曲面有两个基本问题： （1）求曲面方程． （2）已知曲面方程，研究曲面形状．
附-1_空间曲面与空间曲线
旋转一周的旋转曲面方程为
F x,
y 2 z 2 0.
xoz 坐标面上的已知曲线 F ( x , z ) 0 绕 x 轴旋转
一周的旋转曲面方程为
F x,
y 2 z 2 0.
xoz 坐标面上的已知曲线 F ( x , z ) 0 绕 z 轴
所求方程为
2
2 4 116 2 . x y 1 z 3 3 9
2
二、柱面
给定一曲线 , 如果动直线L沿曲线 平行移动 ,
则动直线L所形成的曲面,称为柱面. 这条定曲线 叫 柱面的准线，动 直线L 叫柱面的 母线. 观察柱面的形 成过程:
一、空间曲面与空间曲线
曲面在空间解析几何中被看成是点的几何轨迹． 曲面方程的定义：
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； （2）不在曲面 S 上的点的坐标都不满足方程, 那 么 ， 方 程 F ( x, y, z ) 0 就 叫 做 曲 面 S 的 方 程，而曲面 S 就叫做方程的图形． 研究空间曲面有两个基本问题： （1）已知一曲面的几何轨迹，建立曲面方程．
2 2 2 2
M
M
0
y
x
(1,0,0)
x y x 0 y0 用 x0 1, y0 z0 , z z 0 代入上式，化简得 2 2 2 x y 1 z , 即所求曲面方程为 2 2 2 x y z 1.
四、锥面 设空间一定点 P0 和一定曲线 , 过 上每一点引一 条过 P0 的直线，这些直线形成的曲面叫做锥面。 定点 P0 称为锥面的顶点. 定曲线 称为锥面的准线. 构成锥面的动直线, 称为 锥面的母线. 例1 试建立顶点在原点, 准线为 x y 1
空间中的曲面和曲线的性质
空间中的曲面和曲线的性质空间中的曲面和曲线是几何学中的重要概念，它们具有许多独特的性质与特点。
本文将介绍空间中的曲面和曲线的定义、分类以及它们的特性。
一、曲面的定义和分类曲面是空间中的一个二维对象，它可以由平面曲线绕轴线旋转而成，或者由一组参数方程所确定。
曲面的分类根据其形状和性质可以分为以下几种类型。
1. 平面：平面是最简单的曲面，它由无限多个平行于一个固定平面的直线组成。
2. 曲线旋转曲面：这种曲面是由一条曲线绕某个轴线旋转而成，如圆锥面、圆柱面等。
3. 旋转曲面：旋转曲面是由一个平面曲线沿着某个固定轴线旋转形成的，如球面、椭球面等。
4. 参数曲面：参数曲面是由一组参数方程所定义的曲面，如二次曲面、旋转椭球面等。
二、曲面的性质1. 曲率：曲面的曲率描述了曲面的弯曲程度。
曲率越大，曲面越弯曲；曲率越小，曲面越平坦。
曲面上的每一点都有两个主曲率，它们是曲面上的两个最大曲率。
2. 切平面：曲面上的每一点都有一个切平面，切平面与曲面相切于该点。
切平面包含着曲面上的切线，它是曲面在该点的局部近似。
3. 法线：曲面上的每一点都有一个法线，法线垂直于曲面上的切平面，它表示曲面在该点的垂直方向。
4. 曲面的参数化：曲面可以由一组参数方程来表示，这些参数方程描述了曲面上每个点的坐标。
通过参数化，我们可以方便地计算曲面上的各种性质和曲面上点的坐标。
5. 曲面的交线：当两个曲面相交时，它们在相交处形成一条曲线，称为曲面的交线。
交线可以是直线，也可以是曲线，它们在相交处共享相同的点。
三、曲线的定义和分类曲线是一维的几何对象，它可以描述空间中的路径或轨迹。
曲线可以由参数方程或者隐式方程来描述，常见的曲线类型有以下几种。
1. 直线：直线是最简单的曲线，它由无限多个点组成，任意两点之间的线段都在直线上。
2. 抛物线：抛物线是由二次方程所定义的曲线，它具有对称轴和焦点。
抛物线可以向上开口、向下开口或者平行于x轴。
3. 椭圆：椭圆是由一个参数方程所定义的曲线，它是一个闭合的曲线。
空间曲面与空间曲线
2、
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围成的 空间曲面叫做旋转曲面，旋转的平面曲线叫做母线，定直线叫 做轴。 z
M 0 ( x, y , z )
M 0 (0, y1 , z1 )
y
x
设在 yoz 平面上有一已知平面曲线 C，它的方程为：
f ( y, z) =0
把曲线围绕 Z 轴旋转一周， 就得到以 z 轴为轴的旋转空间曲 面，它的方程可以求得如下： ① ②
x 2 y 2 y1
f ( y1 , z1 ) =0
f ( x 2 y 2 , z1 ) =0
3、 柱面
平行于定直线，并延定曲线 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。
x
例子： 不含 z 的方程 x
2
y
2
r
2
表示在空间直角坐标系
空间曲面与空间曲线
一、空间曲面
1、 曲面方程的概念：
像在平面解析几何中一样，把平面曲线当作动点运动的轨 迹， 在空间解析几何中， 任何曲面也可以看成动点的运动轨迹， 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 上任何一点都满足上述方程。 ② 不在曲面 S 上的点的坐标都不满足上述方程。 那末，上述方程叫做曲面 S 的方程，而曲面 S 叫做方程的图形。
内的圆柱面，它的母线平行与 Z 轴，它的准线为 xoy 平面内的 圆x
2
y
2
r
2
。
二、空间曲线
1、空间曲线的一般方程
空间曲线可以看做是两个空间曲面的交线：
微积分中的空间曲线与空间曲面方程
微积分中的空间曲线与空间曲面方程微积分是数学中的一门重要学科，它研究的是变化与极限。
在微积分中，我们经常会遇到空间曲线和空间曲面方程的问题。
本文将探讨微积分中的空间曲线与空间曲面方程的相关知识。
一、空间曲线空间曲线是指在三维空间中由一系列点组成的曲线。
在微积分中，我们通常使用参数方程来描述空间曲线。
参数方程是通过引入一个或多个参数来表示曲线上的点的坐标。
例如，对于一条空间曲线C，我们可以使用参数t来表示曲线上的点的坐标，即(x(t), y(t), z(t))。
在研究空间曲线时，我们经常需要计算曲线的长度、曲率等属性。
曲线的长度可以通过弧长公式来计算，即L = ∫ds，其中ds表示弧长元素。
曲率是描述曲线弯曲程度的一个重要指标，可以通过曲线的切线和曲率半径来计算。
曲率半径R可以通过公式R = (1/k)来计算，其中k是曲线的曲率。
二、空间曲面方程空间曲面是指在三维空间中由一系列点组成的曲面。
在微积分中，我们通常使用隐式方程或参数方程来描述空间曲面。
隐式方程是通过将曲面上的点的坐标代入方程得到的等式，例如F(x, y, z) = 0。
参数方程是通过引入一个或多个参数来表示曲面上的点的坐标，例如(x(u, v), y(u, v), z(u, v))。
在研究空间曲面时，我们经常需要计算曲面的切平面、法向量等属性。
曲面的切平面是指与曲面相切且与曲面的法向量垂直的平面。
切平面可以通过曲面上一点的法向量和该点的切向量来确定。
曲面的法向量是指与曲面上任意一点的切平面垂直的向量，可以通过曲面的方程来计算。
三、应用举例现在我们来看一个应用举例，以帮助更好地理解微积分中的空间曲线与空间曲面方程。
假设我们有一个空间曲线C，其参数方程为：x(t) = cos(t)y(t) = sin(t)z(t) = t我们希望计算曲线C在区间[0, 2π]上的长度。
根据弧长公式，曲线C的长度可以表示为：L = ∫ds其中，ds表示弧长元素，可以表示为：ds = √(dx^2 + dy^2 + dz^2)将曲线C的参数方程代入上式，可以得到：ds = √((-sin(t))^2 + (cos(t))^2 + 1^2) dt= √(2) dt因此，曲线C在区间[0, 2π]上的长度可以表示为：L = ∫√(2) dt= √(2) t |[0, 2π]= √(2) (2π - 0)= 2√(2)π通过以上计算，我们得知曲线C在区间[0, 2π]上的长度为2√(2)π。
空间解析几何中的空间曲线与曲面
空间解析几何中的空间曲线与曲面在数学中，空间解析几何是研究空间中的点、直线、曲线和曲面等几何元素的学科。
其中，空间曲线和曲面是解析几何中的重要概念，对于研究空间中的形状和运动非常关键。
本文将介绍空间解析几何中的空间曲线与曲面，并对其相关性质进行探讨。
一、空间曲线空间曲线是指在三维空间中的一条曲线。
常见的空间曲线包括直线、抛物线、椭圆、双曲线等。
下面以直线为例进行讨论。
1. 直线在空间解析几何中，直线可通过点和方向确定。
假设直线上有两个点A(x₁, y₁, z₁)和B(x₂, y₂, z₂)，则直线的方向向量为AB(x₂-x₁,y₂-y₁, z₂-z₁)。
方向向量是指从点A指向点B的向量。
除了通过两个点来确定直线外，我们还可以使用点与方向向量的形式表示直线。
设直线上一点为P(x, y, z)，则直线的参数方程为：x = x₁ + aty = y₁ + btz = z₁ + ct其中t为参数，同时a、b、c为方向向量AB的分量。
2. 抛物线、椭圆和双曲线在空间解析几何中，抛物线、椭圆和双曲线都是曲线的一种。
它们的方程可以通过二次方程来表示。
以抛物线为例，其方程一般形式为：Ax² + By² + Cz = 0其中A、B、C为实数，并且A和B不同时为零。
抛物线在空间中呈现出的形状取决于A、B和C的取值。
二、空间曲面空间曲面是指在三维空间中的一个曲面。
常见的空间曲面包括平面、球面、圆锥曲面和椭球面等。
1. 平面在空间解析几何中，平面是由三个相互垂直的坐标轴确定的。
平面可以用一个点和一个法向量来表示。
假设平面上有一点P(x₁, y₁, z₁)，该平面的法向量为N(a, b, c)，则平面的方程可以表示为：a(x-x₁) + b(y-y₁) + c(z-z₁) = 0其中(x, y, z)为平面上任意一点的坐标。
2. 球面在空间解析几何中，球面是由一个固定点O和到该点距离相等的所有点构成的曲面。
空间曲线与空间曲面
空间曲线与空间曲面空间曲线和空间曲面是微积分和几何学中的重要概念，它们在数学和物理学中有着广泛的应用。
本文将介绍空间曲线和空间曲面的定义、性质以及它们在实际问题中的应用。
一、空间曲线空间曲线是指在三维空间中的一条曲线。
它可以用参数方程或者向量函数来表示。
例如，对于参数方程来说，一条空间曲线可以表示为x=f(t)，y=g(t)，z=h(t)，其中x、y、z分别表示曲线上的点的坐标，而f(t)、g(t)、h(t)则是关于参数t的函数。
通过改变参数t的值，我们可以得到曲线上的不同点。
空间曲线有许多重要的性质。
其中之一是曲线的切线方向。
在曲线上的任意一点P，曲线的切线方向是通过该点的一条直线，它与曲线在该点的切线相切。
曲线的切线方向可以通过求曲线在该点的导数来得到。
另一个重要的性质是曲率。
曲线的曲率描述了曲线的弯曲程度。
曲线的曲率可以通过求曲线的曲率半径来得到。
曲率半径是曲线在某一点处的切线与曲线在该点的曲率圆的半径。
曲线的曲率半径越小，曲线的弯曲程度越大。
空间曲线在物理学中有着广泛的应用。
例如，在力学中，我们可以通过描述物体的运动轨迹来研究物体的运动状态。
而物体的运动轨迹可以用空间曲线来表示。
另外，在电磁学中，我们可以通过描述电流在导线中的流动来研究电磁场的分布。
而电流的流动路径可以用空间曲线来表示。
二、空间曲面空间曲面是指在三维空间中的一个曲面。
它可以用隐函数方程或者参数方程来表示。
例如，对于隐函数方程来说，一个空间曲面可以表示为F(x,y,z)=0，其中F(x,y,z)是关于x、y、z的函数。
通过满足隐函数方程的点，我们可以得到曲面上的点。
空间曲面也有许多重要的性质。
其中之一是曲面的法线方向。
在曲面上的任意一点P，曲面的法线方向是垂直于曲面在该点的切平面的方向。
曲面的法线方向可以通过求曲面在该点的梯度来得到。
另一个重要的性质是曲面的曲率。
曲面的曲率描述了曲面的弯曲程度。
曲面的曲率可以通过求曲面的主曲率来得到。
空间曲线与曲面分析
空间曲线与曲面分析空间曲线和曲面是三维几何学中的重要概念，它们在数学、物理学和工程学等领域都有广泛的应用。
本文将介绍空间曲线和曲面的定义、表示方法、性质以及分析技巧。
一、空间曲线的定义与表示方法空间曲线是三维空间中的一条连续曲线，可以用参数方程或者隐式方程表示。
参数方程表示法中，空间曲线上的每一点都由参数的函数确定。
常见的参数方程形式为：x = f(t)y = g(t)z = h(t)其中，x、y、z分别是曲线上一点的坐标，f(t)、g(t)、h(t)是参数t的函数。
隐式方程表示法则可以通过将曲线所在平面的方程转化为含有x、y、z的等式来表示。
二、空间曲线的性质分析空间曲线具有多种性质，下面介绍几个常见的分析技巧。
1. 切向量和切线：曲线上的每一点都有一个切向量，它表示曲线在该点处的方向。
切向量的定义为曲线在该点处的导数。
切线则是通过曲线上一点和其切向量所确定的直线。
2. 弧长和曲率：曲线的弧长是曲线上两点间的距离，可以通过积分求得。
曲率是反映曲线弯曲程度的量，可以通过曲线的切线和曲线在该点处的凹凸性来确定。
3. 曲线的分类：根据曲线的性质，可以将曲线分为直线、椭圆、抛物线和双曲线等不同类型。
三、曲面的定义与表示方法曲面是三维空间中一条或多条曲线所形成的表面。
曲面可以用参数方程、隐式方程或者显示方程表示。
参数方程和隐式方程的表示方法与空间曲线相似。
显示方程则是将曲面的方程转化为x、y、z的等式。
四、曲面的性质分析曲面也具有多种性质，下面介绍几个常见的分析技巧。
1. 切平面和切点：曲面上的每一点都有一个切平面，它与曲面相切，并且与曲面在该点的法线垂直。
切点是切平面与曲面相交的点。
2. 曲面的方向导数：曲面上某一点的方向导数是曲面在该点沿给定方向的变化率。
3. 曲面的法线和曲率：曲面上的每一点都有一个法线，它垂直于切平面。
曲率则是描述曲面在该点处的弯曲程度。
总结：空间曲线和曲面是三维几何学中重要的概念，通过参数方程、隐式方程或者显示方程可以表示。
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yoz 面上的投影曲线,
R( y , z ) 0 x 0
xoz 面上的投影曲线,
T ( x , z ) 0 y 0
例如,
x2 y2 z2 1 C : 2 2 2 x ( y 1) ( z 1) 1
在xoy 面上的投影曲线方程为
部点.
例 3 如果空间一点 M 在圆柱面 x y a 上以 角速度 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 、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．
2 2 2
解
z
取时间t为参数， 动点从A点出 发，经过t时间，运动到M点 M 在 xoy 面的投影 M ( x , y ,0)
1 3 z | x | ; 2, 2 y 0 （3）同理在 yoz 面上的投影也为线段. 1 z 2, x 0 3 | y | . 2
补充: 空间立体或曲面在坐标面上的投影.
空 间 立 体
曲 面
又如,
上半球面 和锥面 所围的立体在 xoy 面上的投影区域为:二者交线在 xoy 面上的投影曲线所围之域 . 二者交线
1
y
l
沿曲线C平行于 z 轴的一切直线所形成的曲面称为圆 柱面. 其上所有点的坐标都满足此方程, 故在空间
x 2 y 2 R 2 表示圆柱面
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定义2. 平行定直线并沿定曲线 C 移动的直线 l 形成
的轨迹叫做柱面. C 叫做准线, l 叫做母线.
表示抛物柱面,
母线平行于 z 轴;
z
准线为xoy 面上的抛物线. x 2 2 x y 2 2 1表示母线平行于 a b z z 轴的椭圆柱面. x y 0 表示母线平行于 z 轴的平面. (且 z 轴在平面上)
o
y
z
C
o
y
o x
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y
x
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一般地,在三维空间
z
y
方程 F ( x , y ) 0 表示 柱面, 母线 平行于 z 轴;
F ( x, y, z ) 0
z
S
o
两个基本问题 :
(1) 已知一曲面作为点的几何轨迹时, 求曲面方程. (2) 已知方程时 , 研究它所表示的几何形状 ( 必要时需作图 ).
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x
y
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结束
例1. 求动点到定点
方程.
距离为 R 的轨迹
依题意
解: 设轨迹上动点为
即
( x x0 )2 ( y y0 )2 ( z z0 )2 R
思考：当曲线 C 绕 y 轴旋转时，方程如何？
z
C : f ( y, z ) 0
o x
y
f ( y, x z ) 0
2 2
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例3. 求坐标面 xoz 上的双曲线
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
分别绕 x
x2 y2 z2 1 2 2 a c
t
o
x A
M
x a cos t y a sin t z vt
y
M
螺旋线的参数方程
螺旋线的参数方程还可以写为
x a cos y a sin v z b ( t , b )
螺旋线的重要性质：
即 : 0 0 ,
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定义1. 如果曲面 S 与方程 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) 不在曲面 S 上的点的坐标不满足此方程, 则 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 的图形.
x
思考: 对平面 y b
2
3
y
交线情况如何?
交线情况如何?
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P325 题 7
z
z
ay x
x 2 y 2 ax z0
ay x
x 2 z 2 a 2 ( x 0 , z 0) y0
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思考题
求椭圆抛物面2 y x z 与抛物柱面 2 x 2 z 的交线关于 xoy面的投影柱面和 在 xoy面上的投影曲线方程.
2y
x
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(3)
x2 z2 a2
x2 y2 a2
z
a
o
a
y
x
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P324 题2 (1)
y 5x 1 y x3
z
y 5x 1 y x3
o
y
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P324 题2(2)
z
x2 y2 1 4 9 y3
解
z a x y
上半球面,
2
2
2
2 a 2 a 圆柱面, ( x ) y2 2 4
交线如图.
x x( t ) y y( t ) z z(t )
空间曲线的参数方程
当给定 t t1 时，就 得到曲线上的一个点
( x1 , y1 , z1 ) ，随着参数的变化可得到曲线上的全
消去变量z后得： H ( x , y ) 0 曲线关于 xoy 的投影柱面 投影柱面的特征： 以此空间曲线为准线，垂直于所投影的坐标面.
如图:投影曲线的研究过程.
空间曲线
投影柱面
投影曲线
空间曲线在xoy 面上的投影曲线
H ( x, y) 0 z 0
类似地：可定义空间曲线在其他坐标面上的投影
故所求方程为 ( x x0 )2 ( y y0 )2 ( z z0 )2 R2 z 特别,当M0在原点时,球面方程为
x 2 y 2 z 2 R2
表示上(下)半球面 . o x
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M0
M
y
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例2. 研究方程
的曲面. 解: 配方得 此方程表示: 球心为 M 0 ( 1, 2, 0 ) , 半径为 5 的球面. 说明: 如下形式的三元二次方程 ( A≠ 0 )
2 2
x2 y2 z2 1 例6 求曲线 在坐标面上的投影. 1 z 2
解 （1）消去变量z后得
3 x y , 4
2 2
在 xoy面上的投影为 3 2 2 x y 4, z 0
1 （2）因为曲线在平面 z 上， 2 所以在 xoz 面上的投影为线段.
y
两边平方
x
2
z a (x y )
2
2
2
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四、空间曲线及其方程
空间曲线C可看作空间两曲面的交线.
F ( x, y, z ) 0 G ( x , y , z ) 0
空间曲线的一般方程 特点：曲线上的点都满足 方程，满足方程的点都在 曲线上，不在曲线上的点 不能同时满足两个方程.
上升的高度与转过的角度成正比．
z : b 0 b 0 b ,
2,
上升的高度 h 2b 螺距
例4. 将下列曲线化为参数方程表示:
解: (1) 根据第一方程引入参数 , 得所求为
(2) 将第二方程变形为
故所求为
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五、空间曲线在坐标面上的投影
F ( x, y, z ) 0 设空间曲线的一般方程： G ( x , y , z ) 0
2 2
思考题解答
2 y 2 x 2 z , 交线方程为 2 2 x z
消去z 得投影柱面
x 2 y 2 1,
x2 y2 1 在 xoy面上的投影为 . z 0
z
C
o x
1 y
x2 2 y2 2 y 0 z0
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例5
求抛物面 y 2 z 2 x 与平面 x 2 y z 0 的截线在三个坐标面上的投影曲线方程.
解
截线方程为
y z x x 2y z 0
2 2
如图,
x 2 5 y 2 4 xy x 0 z 得投影 , （1）消去 z 0 x 2 5 z 2 2 xz 4 x 0 （2）消去y 得投影 , y 0 y z 2y z 0 . （3）消去x 得投影 x 0
准线 xoy 面上的曲线 l1.
x
l1
zl 2
y
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.
z
l3
x
方程 H ( z , x ) 0 表示柱面,
母线 平行于 y 轴;
准线 xoz 面上的曲线 l3.
x
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y
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三、旋转曲面
空间曲线在坐标面上的投影．
H ( x , y ) 0 R( y , z ) 0 z 0 x 0 T ( x , z ) 0 y 0