2二次曲面分类简介
二次曲面分类
二次曲面分类二次曲面分类____________________曲面分类是几何学中的一种重要的分类方式，它可以用来对曲面进行归类、分类。
曲面分类可以根据曲面的不同特征来划分，比如曲面的几何特性、曲面的拓扑特性等。
一般来说，曲面分类可以分为一次曲面和二次曲面两大类。
一次曲面是一个平面或者圆形的曲面，而二次曲面是由一个二次多项式表达式组成的曲面。
具体来说，二次曲面是由两个参数决定的，它们分别是二次多项式的系数和它的幂数。
二次曲面可以分为平面、平行平面、圆台、双曲面和球面五大类。
其中，平面是由一个二次多项式表达式组成的平面；平行平面是由两个二次多项式表达式组成的平面；圆台是由一个二次多项式表达式和一个圆周方程组成的椭圆形的曲面；双曲面是由两个二次多项式表达式和一个圆周方程组成的双峰形的曲面；球面是由三个二次多项式表达式和一个圆周方程组成的球形的曲面。
二次曲面有很多应用，其中一个重要的应用是几何建模。
几何建模是用来对物体进行数字化建模的一种方法，通常使用二次曲面作为建模物体的基本元素。
几何建模过程中，通常会使用多种不同的二次曲面来进行建模，这样就可以得到一个真实而复杂的三维物体。
此外，二次曲面还可以用于近似计算。
近似计算是一种数值计算方法，它通常会使用二次多项式来对函数进行近似。
使用二次多项式来近似计算可以减少计算量，同时也可以得到相对准确的计算结果。
最后，二次曲面也可以用于机器视觉中。
机器视觉是一种机器学习方法，它可以利用图像处理和图形学中的二次多项式来识别图像中的对象。
使用二次多项式进行机器视觉任务可以得到准确而快速的识别结果。
总之，二次曲面是几何学中重要的一种分类方式，它可以根据不同的特征将曲面进行归类和分类。
此外，二次曲面也有很多应用，包括几何建模、近似计算、机器视觉等，可以说是几何学中十分重要的一部分。
高等数学二次曲面
高等数学二次曲面引言在高等数学中，二次曲面是一类重要的曲面，它们在空间中具有特定的几何性质和数学定义。
本文将介绍二次曲面的定义、分类以及一些重要的性质和应用。
定义二次曲面是定义在三维空间中的曲面，它可以用一个二次方程的方程来表示。
二次曲面的方程一般具有以下形式：Ax^2 + By^2 + Cz^2 + Dxy + Exz + Fyz + Gx + Hy + Iz + J = 0其中，A、B、C、D、E、F、G、H、I和J是实数。
当方程中的系数满足一些条件时，可以得到不同种类的二次曲面。
分类根据方程中系数的特点，可以将二次曲面分为以下几类：1. 椭球面当A、B和C的系数都为正时，方程表示一个椭球面。
椭球面具有两个主轴，其中两个主轴的长度由A、B和C的值决定。
椭球面在物理学、天文学和工程学等领域有广泛的应用。
2. 单叶双曲面当A、B和C的系数分别为正、负和负时，方程表示一个单叶双曲面。
单叶双曲面有一个中心点，可以通过平移和旋转变换得到不同的形状。
3. 双叶双曲面当A、B和C的系数分别为负、负和正时，方程表示一个双叶双曲面。
双叶双曲面同样有一个中心点，可以通过平移和旋转变换得到不同的形状。
4. 椭圆抛物面当D、E和F的系数都为零时，方程表示一个椭圆抛物面。
椭圆抛物面具有一个焦点和一条对称轴，可以通过平移和旋转变换得到不同的形状。
5. 双曲抛物面当D、E和F的系数至少有一个不为零时，方程表示一个双曲抛物面。
双曲抛物面同样具有一个焦点和一条对称轴，可以通过平移和旋转变换得到不同的形状。
6. 椭圆锥面当A、B、C的系数满足一个特定的条件时，方程表示一个椭圆锥面。
椭圆锥面可以看作是椭球面在一个主轴的方向上无限延伸而成的曲面。
7. 双曲锥面当A、B、C的系数满足另一个特定的条件时，方程表示一个双曲锥面。
双曲锥面同样可以看作是椭球面在一个主轴的方向上无限延伸而成的曲面。
性质和应用二次曲面具有许多重要的性质和应用，以下是其中的一些：•二次曲面对称性：对于大多数二次曲面，它们都具有某种对称性，可以通过变换来描述这种对称性。
常见的二次曲面
(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.
常见的二次曲面
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
二次曲面介绍
三元二次方程所表示的曲面称为二次曲面．
(相应地平面被称为一次曲面)
研究的方法是采用截痕法. 即用坐标面和 平行于坐标面的平面与曲面相截, 考察其交线 (即截痕)的形状, 然后加以综合, 从而了解曲面 的全貌.
一、椭球面
z
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
O
x
它与三个坐标平面的交线：
z
z
o y
x
p 0, q 0
xo
y
p 0, q 0
特殊地：当 p q时，方程变为 x2 y2 z 旋转抛物面 2p 2p
例如 与
z 2 x2 y2 z 1 x2 y2
z
O
y
x
p 0, q 0
分别表示开口朝上与朝下的旋转抛物面.
2. x2 y2 z （ p 与 q 同号） 2 p 2q
双曲抛物面（马鞍面）
设 p 0, q 0
图形如下：
z
o y
x 方程z xy也表示马鞍面.
设 p 0, q 0 图形如下：
z
O
y
x
三、双曲面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
单叶双曲面
z
o
y
xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
双叶双曲面
o
y
x
y
x2
a
2
y2 b2
1,
x2 z2
a
2
c2
1,
z
z 0
y 0
o
y2
b
2
z2 c2
1,
x
y
x 0
椭球面与平面 z z1 的交线为椭圆
2二次曲面分类简介
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用不变量判断二次曲面类型
则
F ( x, y , z ) x
y
a11 a12 z 1 a13 b 1
其中(d1, d2, d3) 为新原点O在原坐标系 I 中的 坐标.
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结束
空间直角坐标变换
转轴: 设新坐标向量e1, e2, e3 与原坐标向量 e1, e2, e3 的交角如下表所示: 原系 交角 x轴(e1) 新系 x轴(e1) y轴(e2) z轴(e3) y轴(e2) z轴(e3)
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二次曲面的类型
吕林根《解析几何》P278. 定理6. 6. 2 适当选取坐标系, 二次曲面的方程 总可化为下列十七个标准方程之一: (一) 椭球面 2 2 2 x y z 2 2 1; [1] 椭球面: 2 a b c 2 2 2 x y z [2] 点: 2 2 0; 2 a b c 2 2 2 x y z 2 2 1; [3] 虚椭球面: 2 a b c
点的坐标变换公式: x c11 x c12 y c13 z d1 y c21 x c22 y c23 z d 2 , z c31 x c32 y c33 z d 3 x c11 c12 c13 x d1 y c21 c22 c23 y d 2 . z c c32 c33 z d 3 31 其中 (c11, c21, c31), (c12, c22, c32), (c13, c23, c33) 分别 为新坐标向量e1, e2, e3 在原坐标系 I 中的坐标, (d1, d2, d3) 为新原点O在原坐标系 I 中的坐标.
二次曲面一般式
二次曲面一般式摘要：一、二次曲面的定义二、二次曲面的分类1.椭圆曲面2.双曲线曲面3.抛物线曲面三、二次曲面的性质1.标准方程2.参数方程3.二次曲面的对称性四、二次曲面的应用1.数学领域2.物理领域3.工程领域正文：二次曲面是数学中的一种曲面，它的定义可以表示为二次方程的曲面。
在三维空间中，二次曲面是一个与二次方程相关的曲面。
根据二次方程的不同，二次曲面可以分为椭圆曲面、双曲线曲面和抛物线曲面三类。
1.椭圆曲面椭圆曲面是一种二次曲面，它的标准方程为：(x^2 / a^2) + (y^2 / b^2) = 1其中a和b分别表示椭圆的长短轴。
椭圆曲面在数学和物理领域中都有着广泛的应用，比如在光学和天文学中，椭圆曲面常用于描述光的传播和成像。
2.双曲线曲面双曲线曲面是另一种二次曲面，它的标准方程为：(x^2 / a^2) - (y^2 / b^2) = 1或(x^2 / b^2) - (y^2 / a^2) = 1其中a和b分别表示双曲线的长短轴。
双曲线曲面在数学和物理领域中也有广泛的应用，例如在电场和磁场的研究中，双曲线曲面可以用于描述电荷和电流分布。
3.抛物线曲面抛物线曲面是一种特殊的二次曲面，它的标准方程为：y = ax^2 + bx + c或x = ay^2 + by + c其中a、b和c是常数。
抛物线曲面在数学和工程领域中都有广泛的应用，例如在计算机图形学和机器人运动控制中，抛物线曲面可以用于描述物体的运动轨迹。
二次曲面不仅具有标准方程和参数方程，而且还具有丰富的性质和应用。
例如，二次曲面的对称性可以通过其标准方程或参数方程进行判断。
在数学领域，二次曲面是代数几何、微分几何和拓扑学等学科的重要研究对象。
第八节二次曲面
5 柱面
x2 y 2 椭圆柱面 2 2 1 母线平行于 z 轴 a b
双曲柱面
抛物柱面
x y 2 1 2 a b
2
2
母线平行于 z 轴
母线平行于 z 轴
x ay
2
内容小结
1. 空间曲面 • 旋转曲面 三元方程 F ( x , y , z ) 0
第八节 二次曲面
一、椭球面
二、抛物面
三、双曲面
第八章
二次曲面
•
空间直角坐标系中的空间曲面用方程F(x,y,z)=0表示. 若方程F(x,y,z)=0中的x、y、z是一次(或某些项为零)
的，则表示的曲面为平面，也称平面为一次曲面.
即：三元一次方程 A x +B y + C z +D = 0 所表示的平面
z
x 2 y2 2 z 2 a b
x
y
(2) 双曲抛物面（鞍形曲面）
x2 y2 z ( p , q 同号) 2p 2q
当z=h>0时，截线是双曲线
当z=h=0时，截线是xoy平面上的两条相交于原点的直线;
当z=h<0时，截线是双曲线，但实轴平行于x轴，虚轴 平行于y轴. 当x=h=0时，截线是yOz平面上的顶点为原点的抛物线 当y=h=0时，截线是xOz平面上的顶点为原点的抛物线， 且开口向下.
2 2 2
x y z 1, 2 2 a b
2
2
2
椭球面也可由下面方法伸缩变形而来 （1）将球面
x y z a
2 2 2
2
c a 沿 z 轴方向伸缩 倍： z z, 得旋转椭球面： a c 2 2 2 2 a x y z x2 y 2 2 z 2 a2 , 或 2 1 2 c a c a b y y, （2）再将旋转椭球面沿 y 轴方向伸缩 倍： b a
二次曲面部分内容总结归纳
二次曲面部分内容总结归纳在数学中，二次曲面是一类重要的曲线图形，具有广泛的应用。
本文将对二次曲面的定义、性质以及常见的二次曲面进行总结归纳，以帮助读者更好地理解和应用这一内容。
一、二次曲面的定义和特点二次曲面是由二次方程定义的曲面，其一般方程可以表示为Ax² + By² + Cz² + Dxy + Exz + Fyz + Gx + Hy + Iz + J = 0，其中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J为系数。
1. 定义：二次曲面是在三维空间中满足以上方程的点的集合。
它是由平面或曲线与另外一个平面所构成的立体。
2. 分类：根据系数之间的关系，二次曲面可以分为椭球面、双曲面、抛物面和圆锥曲面等。
3. 对称性：二次曲面通常具有一定的对称性，例如椭球面关于三个坐标轴对称，双曲面关于两个坐标轴对称，抛物面则关于一个坐标轴对称。
二、常见的二次曲面下面将介绍几种常见的二次曲面及其特点：1. 椭球面：椭球面是指A、B、C系数均为正数的二次曲面。
它可以是一个三维椭球，具有三个轴，其中有一个是最大的主轴。
2. 双曲面：双曲面是指A、B、C系数有正有负的二次曲面。
它可以是两个相交的曲面，呈现典型的双曲线形状。
3. 抛物面：抛物面是指A、B系数有一个为零的二次曲面。
它可以是开口向上或向下的形状，对称于坐标轴。
4. 圆锥曲面：圆锥曲面是指除了A、B、C系数外，D、E、F系数都为零的二次曲面。
它可以是圆锥的侧面，或者是圆锥的顶部和底部。
三、二次曲面的应用二次曲面具有广泛的应用，其中一些常见的领域包括：1. 几何学：二次曲面在几何学中的应用非常广泛，如描述平面、曲线和曲面之间的关系，解决几何问题等。
2. 物理学：在物理学中，二次曲面可以用来描述电磁场、电荷分布和光学等现象。
3. 工程学：二次曲面在工程学中常用于描述悬索桥、天线接收器的覆盖范围等。
4. 经济学：二次曲面可以用于描述经济模型中的供需曲线、成本函数等。
二次曲面的分类
二次曲面的分类在空间直角坐标系下，二次曲面的一般方程可以写成222111222333121213132323141242343442222220a x a x a x a x x a x x a x x a x a x a x a +++++++++=即()11121311232122232141242343443132333,,2220a a a x x x x a a a x a x a x a x a a a a x ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪++++= ⎪⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭， 其中，ij ji a a =. 记123x X x x ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭，那么实二次型()111213112312321222323132333(,,),,a a a x x x x x x x a a a x a a a x ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪Φ= ⎪⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭的矩阵为111213212223313233a a a A a a a a a a ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭，通过正交线性替换X TY =，其中123y Y y y ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭，有 122221122333(,,)''(')'x y z X AX Y T AT Y Y Y y y y λλλλλλ⎛⎫ ⎪Φ====++ ⎪ ⎪⎝⎭， 其中123,,λλλ是实对称矩阵A 的全部特征值，它们与正交矩阵T 无关，由矩阵A 唯一确定. 这样，在上述正交线性替换X TY =下（即所谓的转轴变换），原二次曲面的方程变成了 222112233141242343442220y y y b y b y b y a λλλ++++++=.最后，再通过适当的平移变换消去一次项，二次曲面的一般方程可以化成下列十七种标准形之一，并且它们分别表示十七种曲面：（一）假设123,,λλλ都非零，即0A ≠，那么二次曲面的方程再通过适当的平移变换消去一次项后可以变为2221122330z z z d λλλ+++=的形式。
高等数学 二次曲面
（3）用坐标面 yoz ( x = 0)， x = x1与曲面相截 ） 均可得抛物线. 均可得抛物线 时可类似讨论. 同理当 p < 0, q < 0 时可类似讨论
2007年8月 南京航空航天大学 理学院 数学系` 9
椭圆抛物面的图形如下： 椭圆抛物面的图形如下：
z o x y z
x
o
y
p < 0, q < 0
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系`
19
思考题
x 2 − 4 y 2 + z 2 = 25 方程 表示怎样的曲线？ 表示怎样的曲线？ x = −3
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系`
20
思考题解答
2 2 − 4 y + z = 16 x 2 − 4 y 2 + z 2 = 25 ⇒ . x = −3 x = −3
表示双曲线. 表示双曲线.
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系`
21
练 习 题
y2 + z2 − 2x = 0 一、求曲线 ，在 xoy 面上的投影曲线 z = 3 的方程， 的方程，并指出原曲线是什么曲线 . 画出方程所表示的曲面： 二、画出方程所表示的曲面： z x2 y2 1、 = + ； 3 4 9 2、16 x 2 + 4 y 2 − z 2 = 64 . 画出下列各曲面所围成的立体的图形： 三、画出下列各曲面所围成的立体的图形： y 1、 x = 0 , z = 0 , x = 1 , y = 2 , z = ； 4 2、 x = 0 , y = 0 , z = 0 , x 2 + y 2 = R 2 , y 2 + z 2 = R 2 (在第一卦限内 在第一卦限内) (在第一卦限内) .
二次曲面的形状
二次曲面的形状二次曲面是一个重要的数学概念，在几何学以及数学分析中都有广泛的应用。
本文将介绍二次曲面的形状，并探讨其一些重要特性。
二次曲面是由二次方程定义的曲面，其一般方程可以表示为：Ax^2 + By^2 + Cz^2 + Dxy + Exz + Fyz + Gx + Hy + Iz + J = 0其中，A、B、C、D、E、F、G、H、I和J是常数，且不全为零。
通过这个方程，我们可以推断二次曲面的形状种类。
根据方程的系数，我们可以将二次曲面分为多种情况：1. 椭圆面：当A、B和C的符号都相同时，且AB和AC的比值小于1时，二次曲面呈现为一个椭圆形状。
2. 双曲面：当A、B和C的符号都相同时，且AB和AC的比值大于1时，二次曲面呈现为一个双曲线形状。
3. 抛物面：当A、B和C的符号有一个不同，且D、E和F等于零时，二次曲面呈现为一个抛物线形状。
4. 锥面：当A、B和C有一个为零时，且D、E和F等于零时，二次曲面呈现为一个尖锥形状。
除了以上情况，二次曲面还可能呈现其他特殊形态，如点、线和平面。
除了形状种类外，二次曲面还有一些重要的特性需要了解：1. 对称性：二次曲面通常具有一些特殊的对称性，如旋转对称性、对称轴等。
2. 曲率：二次曲面在不同点上具有不同的曲率，对于椭圆面和双曲面来说，曲率可以有正和负两种情况。
3. 焦点和直纹：对于椭圆面和双曲面来说，焦点和直纹是其重要特性，可以通过二次曲面的方程来确定。
了解二次曲面的形状和特性，对于解决几何问题、优化问题以及建模等领域都非常重要。
掌握了这些基础知识，我们可以更好地理解和运用二次曲面的相关概念。
总结起来，二次曲面的形状多种多样，可以根据方程的系数判断具体形态。
在研究二次曲面时，我们还需了解其特性，如对称性、曲率、焦点和直纹等。
掌握这些知识，对于深入理解数学和几何学都具有重要意义。
二次曲线的分类和二次曲面的分类-概述说明以及解释
二次曲线的分类和二次曲面的分类-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：二次曲线和二次曲面是解析几何学中重要的研究对象，它们具有许多美妙的几何性质。
在本文中，我们将讨论二次曲线和二次曲面的分类，包括椭圆、抛物线、双曲线、椭球面、抛物面和双曲面等。
通过对这些曲线和曲面的特点和性质进行深入的研究，我们可以更好地理解它们在几何学中的应用和意义。
本文将分析这些曲线和曲面的方程、图像和几何特征，帮助读者全面了解它们的分类和区分。
希望本文能够对二次曲线和二次曲面的研究有所启发，并为相关领域的学习和研究提供参考和帮助。
文章结构部分内容如下:1.2 文章结构：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将概述二次曲线和二次曲面的概念，说明文章结构和目的。
在正文部分，将详细讨论二次曲线和二次曲面的分类，包括椭圆、抛物线、双曲线以及椭球面、抛物面、双曲面的形态和特点。
最后在结论部分，对文章进行总结，并探讨二次曲线和二次曲面在实际应用中的意义，展望未来可能的发展方向。
整个文章结构严谨有序，逻辑清晰，旨在帮助读者更深入地了解二次曲线和二次曲面的分类和特性。
文章1.3 目的：本文旨在对二次曲线和二次曲面进行分类和介绍，帮助读者更好地理解和区分不同类型的二次曲线和曲面。
通过本文的阐述，读者将了解椭圆、抛物线、双曲线、椭球面、抛物面和双曲面的定义、性质和特点。
同时，本文也旨在展示二次曲线和曲面在数学、物理和工程等领域的应用，以及未来对其研究的展望。
通过本文的阅读，读者将深入了解二次曲线和曲面的重要性和应用价值。
": {}}}}请编写文章1.3 目的部分的内容2.正文2.1 二次曲线的分类二次曲线是一个二次方程所描述的平面曲线。
在代数几何学中，二次曲线可以分为三种基本类型：椭圆、抛物线和双曲线。
这些曲线在平面上具有不同的几何性质和形态。
2.1.1 椭圆椭圆是一个闭合的曲线，其定义为所有到两个定点的距离之和等于一个常数的点的集合。
二次曲面
2. 几种常见二次曲面.
x z2 (1) 椭球面 2 + 2 + 2 = 1 a b C
y
3° 类似地, 依次用平面x = 0,平面y = 0截割, 得椭圆:
y2 z2 2 + 2 =1 , b c x =0
x 2 z 2 + a c y = 0
2 2
=1
.
特别: 当a=b=c时, 方程x2 + y2 + z2 = a2 , 表示 球心在原点o, 半径为a的球面.
2
z
y2
O 1° 用平面z = 0去截割, 得椭圆 o 2 x2 y 2 + 2 =1 x a b z =0 2° 用平面z = k去截割(要求 |k | ≤ c), 得椭圆 x2 y2 k2 2 + 2 = 1− 2 a b c z = k 当 |k | ≤ c 时, |k |越大, 椭圆越小; 当 |k | = c 时, 椭圆退缩成点.
3° 类似地，用平面 x = k 去截割, 截线是抛物线.
k 2 y2 2 + 2 =z a b x = k
当k = 0 时 , 为 z =
y b
2 2
.
x (2) 椭圆抛物面: 2 + 2 = z a b
2
y2
z
二次曲面的方程和图形
3. 双曲面
z
(1)单叶双曲面
x2 a2
y2 b2
z c
2 2
1
( a,b,c 为正数)
x
O
y
平面 z z1 上的截痕为椭圆.
平面 y y1上的截痕情况:
1) y1 b 时, 截痕为双曲线:
x2 a2
z2 c2
1
y12 b2
y y1
(实轴平行于x 轴； 虚轴平行于z 轴）
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
( a,b,c 为正数)
2) y1 b 时, 截痕为相交直线:
z
x z 0 ac y b (或 b)
x Oy
3) y1 b时, 截痕为双曲线:
x2 a2
z2 c2
1
y12 b2
0
y y1
x
(实轴平行于z 轴; 虚轴平行于x 轴）
z Oy
(2) 双叶双曲面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
二次曲面的方程与图形
1. 椭球面 2. 抛物面 3. 双曲面 4. 椭圆锥面
三元二次方程
Ax2 By2 Cz 2 Dxy Eyx Fzx Gx Hy Iz J 0
(二次项系数不全为 0 ) 的图形通常为二次曲面. 其基本类型有:
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 .
( a, b 为正数)
在平面 z t 上的截痕为椭圆
x2 (at)2
y2z
O yy xx
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
二次曲面类型
二次曲面类型
二次曲面是三维欧氏空间中，由三元二次方程所表示的曲面。
其一般方程为\(Ax^2+By^2+Cz^2+2Fxy+2Gxz+2Hyz=D\)。
二次曲面有很多类型，常见的包括：
1.平面：所有平面的方程都可以写成\(Ax+By+Cz=D\)的形式，其中\(A,B,C,D\)是常数。
2.球面：球面的方程可以写成\(x^2+y^2+z^2=R^2\)的形式，其中\(R\)是球的半径。
3.椭球面：椭球面的方程可以写成\(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y ^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1\)的形式，其中\(a,b,c\)是椭球的半轴长度。
4.抛物面：抛物面的方程可以写成\(x^2+y^2=2az\)或\(x^2+z^ 2=2ay\)的形式，其中\(a\)是抛物面的开口大小。
5.双曲面：双曲面的方程可以写成\(x^2+y^2-z^2=1\)或\(\fra c{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\)的形式，其中\(a,b\)是双曲面的半轴长度。
二次曲面的分类及其方程
二次曲面的分类及其方程二次曲面是指在三维空间中由二次方程描述的曲面。
它们是重要的数学对象，有着广泛的应用。
二次曲面可以分为三类：椭球面、双曲面和抛物面。
一、椭球面椭球面是由下列方程定义的曲面：$$\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1$$其中 $a, b, c$ 是正实数。
椭球面是一种具有三个互相垂直的对称轴的曲面。
如果 $a = b = c$，那么这就是一个球面。
如果 $a = b$ 且 $c$ 与它们不相同，那么它是一个椭球体，也称为长方体。
二、双曲面双曲面是由下列方程定义的曲面：或$$\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1$$其中 $a, b, c$ 是正实数。
它由两个平面曲线旋转形成。
双曲面可以分为单叶双曲面和双叶双曲面两类。
单叶双曲面，也称为马鞍面，是旋转一个双曲线得到的。
它具有对称轴。
作为一个示例，如果我们在 $x$ 轴上旋转 $y =\frac{1}{2} \sqrt{x^2 + 1}$，那么它就是一个单叶双曲面。
双叶双曲面由两个对称的单叶双曲面组成。
它是由以下方程定义的：$$\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1$$或其中 $a, b, c$ 是正实数。
双叶双曲面没有对称轴。
如果 $a = b = c$，那么它是一个单叶双曲面。
三、抛物面抛物面是由下列方程定义的曲面：$$z = \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}$$其中 $a, b$ 是正实数。
它是一个二次曲面，每个点都具有平移对称性。
抛物面有多个变形，其中最常见的是旋转抛物面。
旋转抛物面由以下方程定义：$$z = \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}$$在这种情况下，通过绕 $z$ 轴旋转获得的平面是横截面。
高等数学7.9 二次曲面
这是平面zz 1内的椭圆，
其中心在z轴上．
以平面yy1(| y1| b)， 或xx1(| x1| a)去截椭球 面，分别可得与上述类 似的结果．
椭球面与平面的交线： 椭球面与三个坐标面的交线分别为 x2 y2 y2 z2 x2 z 2 2 2 1, 2 2 1, 2 2 1, a b b c a c z 0; x 0; y 0. 这些交线都是椭圆．
椭球面与平面zz 1(| z 1|<c)的交线
截痕是圆
x 2 y 2 2 pz1 , z z1.
双曲抛物面： 由方程
x2 y2 z (p与q同号) 2 p 2q
所表示的曲面叫做双曲抛物面或鞍形曲面．
三、双曲面
单叶双曲面：
x2 y2 z 2 由方程 2 2 2 1 所表示的曲面叫做单叶双曲面． a b c
§7．9 二次曲面
一、椭球面
二次曲面、截痕法 椭球面、椭球面与平面的交线、 特殊的椭球面
二、抛物面
椭圆抛物面、椭圆抛物面与平面的交线 旋转抛物面、双曲抛物面
三、双曲面
单叶双曲面、单叶双曲面与平面的交线 双叶双曲面
一、椭球面
二次曲面：
我们把三元二次方程所表示的曲面叫做二次曲面．
截痕法： 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．
二、抛物面
x2 y2 z (p q>0) 所表示的曲面叫做椭圆抛物面． 由方程 2 p 2q
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或
x cos1 cos 1 cos1 x y cos2 cos 2 cos 2 y
z cos3 cos 3 cos 3 z
空间直角坐标变换
一般的空间直角坐标 (点) 变换公式:
x y
x cos1 x cos2
y cos 1 z cos y cos 2 z cos
1
d1 2 d2
z x cos3 y cos 3 z cos 3 d3
或
x cos1 cos 1 cos1 x d1 y cos2 cos 2 cos 2 y d2 ,
z cos3 cos 3 cos 3 z d3
空间直角坐标变换
空间一般坐标变换公式, 还可以由新坐标系的 三个坐标面来确定.
x2 y2 a2 b2 1;
x2 y2 a2 b2 1;
x2 a2
y2 b2
0;
二次曲面的类型
[12] 双曲柱面: [13] 一对相交平面:
x2 y2 a2 b2 1;
x2 a2
y2 b2
0;
[14] 抛物柱面:
x2 2 py;
[15] 一对平行平面:
x2 a2 , a 0.
[16] 一对平行平面:
a13 a23 a33 z
x
x
y
z
A0
y
z
用不变量判断二次曲面类型
记 F1(x, y, z) = a11x + a12y + a13z + b1
F2(x, y, z) = a12x + a22y + a23z + b2
F3(x, y, z) = a13x + a23y + a33z + b3
b1 b2 c b1 b3 c b2 b3 c
用不变量判断二次曲面类型
用不变量和半不变量判断二次曲面的类型
P287. 定理6. 7. 3 给出二次曲面方程() , 则用不 变量和半不变量判别()为何种类型的充要条件是:
第(I)类曲面:
I3 0;
第(II)类曲面: I3 = 0, I4 0;
第(III)类曲面: I3 = 0, I4 = 0, I2 0;
x2 a2 , a 0.
[17] 一张平面:
x2 0.
用不变量判断二次曲面类型
二次曲面的表示
空间中二次曲面的一般方程为
a11x2 + a22y2 + a33z2 + 2a12xy + 2a13xz + 2a23yz + 2b1x + 2b2y + 2b3z + c = 0 ()
其中a11, a22, a33, a12, a13, a23不全为零.
a23 a33 b3
b2 y
b3 c
z 1
x
x
y
z
1
A
y z
1
用不变量判断二次曲面类型
(x, y, z) = a11x2 + a22y2 + a33z2 + 2a12xy
+ 2a13xz + 2a23yz
则
(x, y, z) x
y
z
a11 a12
a`12 a22
a13 x a23 y
a13
a12 a22 a23
a13 a33 a33
,
I4
|
A |
a11 a12 a13 b1
a`12 a22 a23 b2
a13 a23 a33 b3
b1 b2 . b3 c
用不变量判断二次曲面类型
二次曲面的半不变量
K1
a11 b1
b1 a22 c b2
b2 a33 c b3
b3 . c
a11 a12 b1 a11 a13 b1 a22 a23 b2 K 2 a12 a22 b2 a13 a33 b3 a23 a33 b3 .
移轴:
x y
x y
d1 d2
或
z z d3
x x d1 y y d2 , z z d3
其中(d1, d2, d3) 为新原点O在原坐标系 I 中的 坐标.
空间直角坐标变换
转轴: 设新坐标向量e1, e2, e3 与原坐标向量 e1, e2, e3 的交角如下表所示:
(一) 椭球面 [1] 椭球面: [2] 点:
[3] 虚椭球面:
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1;
x2 a2
y2 b2
z2 c2
0;
x2 y2 z2 1; a2 b2 c2
二次曲面的类型
(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
I2 < 0, I2 < 0,
K2 0 K2 = 0
用不变量判断二次曲面类型
型别
类别
识别标志
二次柱面
(I3 = 0 I4 = 0 I2 = 0)
抛物柱面 一对平行平面 一对虚平行平面
K2 0 K2 = 0, K1 < 0 K2 = 0, K1 > 0
一对重合平面
K2 = 0, K1 = 0
用不变量判断二次曲面类型
其中 (c11, c21, c31), (c12, c22, c32), (c13, c23, c33) 分别 为新坐标向量e1, e2, e3 在原坐标系 I 中的坐标, (d1, d2, d3) 为新原点O在原坐标系 I 中的坐标.
d3
空间直角坐标变换
过渡矩阵的性质
1. 过渡矩阵是可逆矩阵.
c11 c21
c12 c22
c13 x c23 y .
z c31x c32 y c33z z c31 c32 c33 z
其中 (c11, c21, c31), (c12, c22, c32), (c13, c23, c33) 分别 为新坐标向量e1, e2, e3 在原坐标系 I 中的坐标.
F4(x, y, z) = b1x + b2y + b3z + c
则 F(x, y, z) = xF1(x, y, z) + yF2(x, y, z)
+ zF3(x, y, z) + F4(x, y, z)
用不变量判断二次曲面类型
记 1(x, y, z) = a11x + a12y + a13z 2(x, y, z) = a12x + a22y + a23z 3(x, y, z) = a13x + a23y + a33z 4(x, y, z) = b1x + b2y + b3z
(III) a11x2 + a22y2 + c = 0,
a11a22 0;
(IV) a11x2 + 2b2y = 0, (V) a11x2 + c = 0,
a11b2 0; a11 0.
二次曲面的类型
吕林根《解析几何》P278.
定理6. 6. 2 适当选取坐标系, 二次曲面的方程 总可化为下列十七个标准方程之一:
补充 二次曲面的一般理论
空间直角坐标变换 二次曲面方程的化简 应用不变量判断二次曲面的类型 二次曲面的仿射特征和度量特征
空间直角坐标变换
空间仿射坐标变换公式 向量的坐标变换公式:
I 到 I 的过渡矩阵
x y
c11x c21x
c12 y c13z c22 y c23z,
x y
2. 设有三个仿射坐标系 I, I, I, I 到 I 的过渡 矩阵为C, I 到 I 的过渡矩阵为D, 则 I 到 I 的 过渡矩阵为CD.
3. 若 I 到 I 的过渡矩阵为 C, 则 I 到 I 的过渡 矩阵为 C 1.
4. 两个直角坐标系之间的过渡矩阵是正交矩阵.
空间直角坐标变换
空间直角坐标 (点) 变换
[7] 椭圆抛物面:
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1;
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1;
x2 y2 z2 a2 b2 c2 0;
x2 a2
y2 b2
2z;
二次曲面的类型
[8] 双曲抛物面: (五) 二次柱面
x2 a2
y2 b2
2z;
[9] 椭圆柱面: [10] 虚椭圆柱面: [11] 一条直线:
I4 < 0 I4 > 0
一点
I4 = 0
用不变量判断二次曲面类型
型别
双曲面 (I3 0 I2 0或 I1I3 0)
类别 单叶双曲面 双叶双曲面
识别标志 I4 > 0 I4 < 0
二次锥面
(I3 0 I2 0 或 I1I3 0)
二次锥面
I4 = 0
用不变量判断二次曲面类型
型别
抛物面 (I3 = 0 I4 0)
则 (x, y, z) = x1(x, y, z) +y2(x, y, z) +z3(x, y, z)
用不变量判断二次曲面类型
二次曲面的不变量
I1 = a11 + a22 + a33,
I2
a11 a12
a12 a11 a22 a13
a13 a22 a33 a23
a23 , a33
a11 I3 A0 a12
其中正负号的选取要
使得坐标变换为右手 直角坐标变换.
二次曲面的类型
二次曲面的一般方程
空间中二次曲面的一般方程为 a11x2 + a22y2 + a33z2 + 2a12xy + 2a13xz + 2a23yz + 2b1x + 2b2y + 2b3z + c = 0 ()