空间曲面曲线方程
常用曲线和曲面的方程及其性质
常用曲线和曲面的方程及其性质曲线和曲面在三维空间中是常见的数学对象。
它们的方程可以通过几何性质描述它们的性质。
本文将介绍一些常用的曲线和曲面方程及其性质。
一、曲线方程1. 直线方程直线是一种最基本的曲线，它的方程可以写成一般式和斜截式两种形式。
一般式：$Ax+By+C=0$；斜截式：$y=kx+b$，其中$k$是直线的斜率，$b$是截距。
直线的斜率表示的是直线倾斜的程度，斜率越大表示直线越陡峭。
斜率等于零表示直线水平，而无限大则表示直线垂直于$x$轴。
2. 圆的方程圆是一种具有球面对称性质的曲线，它的方程可以写成两种形式：标准式和一般式。
标准式：$(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$，其中$(a,b)$为圆心坐标，$r$为半径长度。
一般式：$x^2+y^2+Ax+By+C=0$，其中$A,B,C$是常数。
圆的标准式方程可以通过圆心和半径来描述圆的几何性质；而一般式方程则可以通过求圆的中心和半径来转化为标准式方程。
3. 椭圆的方程椭圆是一种内离于两个焦点的平面曲线，它的方程可以写成一般式和标准式两种形式。
标准式：$\frac{(x-a)^2}{a^2}+\frac{(y-b)^2}{b^2}=1$，其中$(a,b)$为椭圆中心坐标，$a$是横轴半径，$b$是纵轴半径。
一般式：$Ax^2+By^2+Cx+Dy+E=0$，其中$A,B,C,D,E$是常数。
椭圆的标准式方程中的$a$和$b$决定了椭圆的形状和大小。
当$a=b$时，椭圆变成了圆。
4. 抛物线的方程抛物线是一种开口朝上或朝下的U形曲线，它的方程可以写成两种形式：标准式和一般式。
标准式：$y=ax^2$，其中$a$是抛物线的参数。
一般式：$Ax^2+By+C=0$，其中$A,B,C$是常数。
抛物线的标准式方程中的参数$a$可以决定抛物线的开口方向，当$a>0$时开口向上，$a<0$时则开口向下。
5. 双曲线的方程双曲线是一种形状类似于抛物线的曲线，但它却有两个分支。
空间曲线及其方程
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
部点.
例 3 如果空间一点 M 在圆柱面 x2 y2 a2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．
螺距 h 2b
三、空间曲线在坐标面上的投影
（以后在求三重积分和曲面积分时需要确定 一个立体或曲面在坐标面上的投影）
z
问题：求已知曲线C在xoy面上的 C •( x, y, z)
投影曲线C的方程.
注意：一个点与其在xoy面上的 投影点的x,y坐标相同.
o
y
x C •( x, y,0)
所以求曲线在xoy面上的投影曲线的方程就是 求原曲线上点x,y坐标的关系.
z
o 1y x
要点:
第四节 空间曲线及其方程
空间曲线的一般方程:
F(x, y, z) 0 C : G( x, y, z) 0
空间曲线可看作两个曲面的交线.
x x(t)
空间曲线的参数方程:
y
y(t )
z z(t)
空间曲线在坐标面上的投影: 注意一个点与其投影
点的x,y 坐标相同.
消去变量z 得：H ( x, y) 0 投影柱面
第四节
第七章
空间曲线及其方程
一、空间曲线的一般方程 二、空间曲线的参数方程 三、空间曲线在坐标面上的投影
一、空间曲线的一般方程
空间曲线可看作两个空间曲面的交线.
曲面S1 : F ( x, y, z) 0 曲面S2 : G( x, y, z) 0
曲 线C
:
空间解析几何的曲线与曲面的方程表示
空间解析几何的曲线与曲面的方程表示在空间解析几何中，曲线与曲面的方程表示是非常重要的概念。
通过方程，我们可以描述和研究曲线和曲面的特性、性质以及它们与其他几何对象之间的关系。
本文将介绍空间解析几何中曲线与曲面的方程表示方法。
一、曲线的方程表示在空间中，曲线可以通过参数方程、一般方程和轨迹方程进行表示。
1. 参数方程：曲线的参数方程表示为：x = f(t), y = g(t), z = h(t)其中，x，y和z分别是曲线上某一点的坐标，f(t)，g(t)和h(t)是参数方程。
通过改变参数t的取值范围，我们可以得到曲线上的各个点坐标。
2. 一般方程：曲线的一般方程表示为：F(x, y, z) = 0其中，F(x, y, z)是曲线上的点(x, y, z)所满足的关系式。
3. 轨迹方程：曲线的轨迹方程表示为：F(x, y, z, k) = 0其中，(x, y, z)是曲线上的点，k是参数。
二、曲面的方程表示在空间中，曲面可以通过隐式方程、一般方程和参数方程进行表示。
1. 隐式方程：曲面的隐式方程表示为：F(x, y, z) = 0其中，F(x, y, z)是曲面上的点(x, y, z)所满足的关系式。
2. 一般方程：曲面的一般方程表示为：Ax + By + Cz + D = 0其中，A，B，C和D是常数，(x, y, z)是曲面上的点。
3. 参数方程：曲面的参数方程表示为：x = f(u, v), y = g(u, v), z = h(u, v)其中，(u, v)是参数，f(u, v)，g(u, v)和h(u, v)是参数方程。
通过改变参数u和v的取值范围，我们可以得到曲面上的各个点坐标。
总结：通过以上介绍，我们了解了空间解析几何中曲线与曲面的方程表示方法。
曲线可以通过参数方程、一般方程和轨迹方程描述，而曲面可以通过隐式方程、一般方程和参数方程描述。
这些方程可以帮助我们研究曲线与曲面的性质、特性以及它们与其他几何对象之间的关系。
空间曲面与空间曲线
y
θ
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)
空间曲线的一般方程
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
y
例 如果空间一点 M 在圆柱面 x 2 y 2 a 2 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．
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)
（2）已知曲面方程，研究曲面形状．
曲面的参数方程：
当球心在原点O(0, 0, 0)时,球面方程: x2 + y2 + z2 = R2
如图，取，为参数
则球心在原点的球面方 程等价于：
N
z
R
Q
M（x,y,z）
x R sin cos 0 2 x y R sin sin 0 z R cos
o
r
R
x
环面
圆（x R) 2 y 2 r 2 ( R r 0) 绕 y轴 旋转所成曲面 y
o
x
.
z
环面
圆（x R) 2 y 2 r 2 ( R r 0) 绕 y轴 旋转所成曲面 y
o
x
.
z
环面方程
( x 2 z 2 R) 2 y 2 r 2
大学数学_7_4 曲面与曲线
O
x 图7-34
y
例 6 一动点 M 在圆柱面 x 2 y 2 a 2 上以角速度 绕 z 轴旋转时，同时又以线速度 v 沿平行于 z 轴的正方 向上升，( , v都是常数) ， 则点 M 的几何轨迹叫做螺旋线 （7-35） ，试建立其参数方程. z 解 取时间 t 为参数，设t 0 时动 点在点 A( a,0,0) 处，在 t 时刻，动点在 点 M ( x, y , z ) 处.过点 M 作 xOy 面的 ' 垂线，则垂足为 M ( x, y,0) .由于 O My AOM ' t , MM ' vt , M’ x 故 x a cos AOM ' a cos t , 图7-35 y a sin AOM ' a sin t , z MM ' vt , x a cos t , 所以螺旋线的参数方程为： y a sin t , z vt.
求曲线： 2 2 z x y 2 2 z x y 在 xOy 面上的投影方程. 例7
从曲线 的方程中消去 z，得 x2 y 2 x2 y 2 , 化简后，得 ( x 2 y 2 )( x 2 y 2 1) 0, 因为 x 2 y 2 0 ，所在曲线 关于 xOy 面的投影柱面方程为 x2 y2 1 （是圆柱面） ，在 xOy 面的投影方程为 1 2 2 x y 2 z 0 （是 xOy 面上的圆）. 解
Hale Waihona Puke y2 z2 例 2 将 yOz 面上的椭圆 2 2 1分别绕 z 轴和 y 轴 a b 旋转，求所形成的旋转曲面方程. 解 绕 z 轴旋转而形成的旋转曲面（图 7-28）方程 为 x2 y 2 z 2 z 1 ， a2 b2 b x2 y 2 z 2 2 2 1. 即 2 a a b a 绕 y 轴旋转而形成的旋转曲面方程为 y y 2 x2 z 2 a 1， 2 2 x a b 图7-28 x2 y 2 z 2 2 2 1. 即 2 b a b
空间曲线
x x0 m t , y y0 n t , z z p t. 0
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例1 设一动点一方面绕一定直线作匀角速度的圆周 运动, 另一方面作平行于该直线的匀速直线运动, 这个 动点的轨迹称为圆柱螺线.试建立其方程. 解 取定直线为z 轴, 动点P 的运动 方向为z轴的正方向. 选取x轴, 使得在t = 0时, P在x轴的正半 轴上. 设此时P的横坐标为a, 角速度为ω, 匀速直线运动的 速率为v. 设在t 时刻, P的坐标 为(x, y, z) . 由P向xoy平面作垂 线,垂足为M (x, y, 0) . 则
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二、空间曲线的参数方程
将曲线C上的动点坐标x, y, z表示成参数 t 的函数:
x x(t ), y y (t ), z z (t ).
t (, )
称为空间曲线的参数方程. x x0 y y0 z z0 如直线 的参数方程为 m n p
在三坐标面上的射影曲线方程如何？
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F x, y, z 0, 对于 xoy 面的射影柱面 设曲线 ： Gx, y, z 0 则它在 xoy 面上的射影曲线方程 方程为 F1 ( x, y) 0，
为
F1 ( x, y) 0, z 0.
同理可得曲线在另外两个坐标面上的投影曲线方程. 2 设曲线 xoz对于 xoy 面和 xoz面的射影柱面方程
x 2 ( z 2) 2 1, 4 36 x 2 4 y.
这说明曲线对 xOz 平面的射影柱面是一个方程为
x ( z 2) 1 的椭圆柱面； 而曲线对 xoy 面的射影 36 4
2 2
柱面是方程为 x 2 4 y, x 6 的一截抛物柱面(不是 整个抛物柱面),这是因为由该方程组的第一个方程 知 x 6.
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。
空间曲线及其方程
平行于x轴的柱面
投影柱面
yoz面上的投影Cyoz为线段：
z
x
10,
| y | 1
（3）同理xoz面上的投影Czox也为线段:
z
y
10,
| x | 1.
15
例7 求抛物面 y2 z2 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. z
解 截线C的方程为:
y2 z2 x
y
x 2y z 0
如图,
o
x
16
（1）消去z ，得 C 在 xoy 面上的投影：
x2 5 y2 4xy x 0
,
z 0
（2）消去y ，得 C 在 zox 面上的投影：
x2 5z2 2xz 4x 0
,
y 0
（3）消去 x，得 C 在 yoz 面上的投影：
y2 z2 2y z 0
F( x, y, z) 0 G( x, y, z) 0
消去x
C yoz
:
x0 R( y, z)
0
C在zox 面上的投影 Czox:
F( x, y, z) 0 消去y G( x, y, z) 0
C z ox
:
T ( x, z)
y
0
0
9
例4
C
:
x
2
x2 (y
y2 1)2
z2 1 (z 1)2
.
x 0
17
四、一元向量值函数
1. 基本概念
(1) 一元向量值函数
r r(t), t I
其中r
xi
yj
zk ,
空间曲线的向量形式
r(t )
x(t)i
第3讲空间解析几何—曲面、曲线及其方程
第3讲 空间解析几何—曲面、曲线及其方程本节主要内容第三节 曲面及其方程1 曲面方程的概念2 旋转曲面3 柱 面 4二次曲面第四节 空间曲线及其方程1 空间曲线的一般方程2 空间曲线的参数方程3 空间曲线在坐标面上的投影讲解提纲：第七章 空间解析几何与向量代数第三节 曲面及其方程一、 曲面方程的概念空间曲面研究的两个基本问题是：1．已知曲面上的点所满足的几何条件，建立曲面的方程;2．已知曲面方程，研究曲面的几何形状.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形成的曲面叫做旋转曲面，旋转曲线和定直线分别叫做旋转曲面的母线和轴。
三、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。
四、二次曲面三元二次方程0),,(=z y x F 所表示的曲面称为二次曲面。
例题选讲：曲面方程的概念例1 建立球心在点),,(0000z y x M 、半径为R 的球面方程. 解：易得球面方程为2222000()()()x x y y z z R -+-+-=例2 求与原点O 及)4,3,2(0M 的距离之比为1:2的点的全体所组成的曲面方程. 解：易得曲面方程为22224116()(1)()339x y z +++++=。
例3 已知()1,2,3,A ()2,1,4,B - 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，由 A M B M ==整理得26270x y z -+-=。
例4方程2222440x y z x y z ++-++=表示怎样的曲面？旋转曲面例5 将xOz 坐标面上的抛物线25z x =分别绕x 轴旋转一周，求所生成的旋转曲面的方程.解：易得旋转曲面的方程225y z x +=例6 直线L 绕另一条与L 相交的定直线旋转一周, 所得旋转曲面称为叫圆锥面. 两直线的交点称为圆锥面的顶点, 两直线的夹角α)20(πα<<称为圆锥面的半顶角. 试建立顶点在坐标原点, 旋转轴为z 轴, 半顶角为α的圆锥面方程解：在yoz 坐标平面上，直线L 的方程为 c o tz y α= 可得圆锥面的方程为2222()z x y α=+柱面例7 分别求母线平行于x 轴和y 轴，且通过曲线222222216x y z x y z ⎧++=⎨-+=⎩的柱面方程.解：母线平行于x 轴的柱面方程：22316y z -= 母线平行于y 轴的柱面方程：223216x z += 二次曲面.椭球面：1222222=++cz b y a x )0,0,0(>>>c b a抛物面椭圆抛物面 qy p x z 2222+= （同号与q p ）双曲抛物面 z qy p x =+-2222 ( p 与q 同号)双曲面单叶双曲面 1222222=-+c z b y a x )0,0,0(>>>c b a双叶双曲面 1222222-=-+c z b y a x )0,0,0(>>>c b a二次锥面 0222222=-+cz b y a x例8 由曲面,0,0,0===z y x 1,122=+=+z y y x 围成的空间区域(在第一卦限部分), 作它的简图.课堂练习 1.求直线11:121x y z L --==绕z 轴旋转所得到的旋转曲面的方程. 2.指出方程221x y -=及22z x =-所表示的曲面. 3 方程()()22234z x y =-+--的图形是怎样的?第四节 空间曲线及其方程一、 空间曲线的一般方程 ⎩⎨⎧==0),,(0),,(z y x G z y x F二、空间曲线的参数方程 ⎪⎩⎪⎨⎧===)()()(t z z t y y t x x三、 空间曲线在坐标面上的投影⇒⎩⎨⎧==.0),,(,0),,(z y x G z y x F ⇒=0),(y x H ⎩⎨⎧==00),(z y x H例题选讲：空间曲线的一般方程例1方程组 221493x y y ⎧+=⎪⎨⎪=⎩表示怎样的曲线?空间曲线的参数方程例2 若空间一点M 在圆柱面222a y x =+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 是常数), 则点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，在t=0时，动点位于x 轴上的一点(,0,0)A a 处。
空间曲线及其方程
-0.5 -1
0
x
0
1
2
0.5
1
y
0.1
0.05
x
z
0
-0.05 x
-1
-0.1
-0.5
0
0.25
0.5
0.75
1
0
0.5 y
1
例6
求曲线 C:z z
4x2 y2 3(x2 y2)
z
在 xoy 面上的投影曲线.
解: 从方程组消去 z, 得
x2 y2 1.
Co
x
所以曲线C在 xoy 面的投影曲线为
2
4
xa2a2cots
y
a 2
sint
(0t2)
za
1 2
12
c
ots
三、空间曲线在坐标面上的投影
设空间曲线 C的一般方程为
z
F(x, y,z) 0, G(x, y,z) 0.
C
y
从 方 程 组 中 消z去 后变 得量 到 方 程
H(x, y)0.
x C
当x、y和z满 足 方 程 , x组 、y必 时定 满 足, 方 这 说 明C曲 上线 的 所 有 点 都 所在 表由 示方 的程 面 上 .
y2
4x
0.
例1 方程组 x2y2 1, 表示怎样的 ? 曲线
2x3z6
z
解 因为 x2y21表示圆, 柱面
2
C
2x3z6表 示 平. 面
x2 y2 2x3z
1 表 6
示
二
者
的.
交线o
10
10
x
5
空间曲面曲线方程
解： 绕 x 轴旋转的曲面方程为：
x2 a2
y2 z2 b2
1
绕 y 旋转的旋转曲面方程为： 称这样的曲面为旋转椭球面
x2 z2 y2 1
a2
b2
例5．求由yoz平面上的直线z=ky绕z轴旋转而成的旋转曲面 方程
解：在z=ky中，把 y 换成 x2 y2 得到所求方程为
z k x2 y2 即 z2 k2(x2 y2)
整理得
(x x0 )2 ( y y0 )2 (z z0 )2 R
(x x0 )2 ( y y0 )2 (z z0 )2 R2
这就是球心在 M 0 (x0, y0, z0 ) 半径为R的球面方程，是一个二 次曲面
（返回）
二．几种常见的二次曲面
1. 柱面：动直线L沿给定曲线C平行移动形成的曲面 叫做柱面（如图），动直线L叫做柱面的母线，定曲线C 叫做柱面的准线。我们只讨论母线平行与坐标轴的柱面。
上的投影曲线（简称投影），记作 (x , y) 0
z0
（注：空间曲线L在XOY，YOZ平面上的投影如何确定？）
例7 求曲线L
x2 y2 z2 1
在XOY平面上的投影
1 z
2
解：消去z ，得到投影柱面为 x2 y2 3 4
于是L在XOY平面上的投影为
x2 y2 3 4
z0
第七章小结 （习题课） 本章重点 : 1 向量的代数运算：加法、减法、数乘、数量积、向量积 2 向量的模、方向角、方向余弦的概念 3 在一定条件下，求平面或空间直线方程 4 研究平面与平面、直线与直线、平面与直线的相互关系 5 二次曲面的概念，柱面、旋转面等
1 23
x 1 y z 1 3 2 1
x2 2
y 1
8.3-8.4空间曲面、空间曲线及其方程
(4)
方程(5)表示一个母线平行于z 轴的柱面,
注意：曲线 C 一定在柱面上. 空间曲线 C 在 x O y 面上的 投影曲线必定包含于:
z
C
o o
H (x, y) = 0 z=0
y
x
注: 同理可得曲线在yOz面或xOz面
上的投影曲线方程.
已知两个球面的方程分别为:x2 + y2 + z2 = 1和 例6 x2 + (y 1)2 + (z1)2 = 1.求它们的交线C在xOy 面上的投影曲线的方程. 解 联立两个方程消去 z ,得 椭圆柱面
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.
故所求方程为
( x x0 ) 2 ( y y0 ) 2 ( z z0 ) 2 R 2 z
特别,当M0在原点时,球面方程为
x2 y2 z 2 R2
表示上(下)球面 .
M0
M
o x
y
例2
研究方程
表示怎样
的曲面. 解 配方得 故此方程表示: 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 )
特别,当 p = q 时为绕 z 轴的旋转抛物 面. (2) 双曲抛物面（鞍形曲面）
x
y
z
x y z ( p , q 同号) 2p 2q
2
2
空间中的曲面和曲线及二次曲面
第六章 二次型与二次曲面
§6.3 二次曲面
例3. z = xy. 0 1/2 0 解: xy = (x, y, z) 1/2 0 0 0 0 0
x y , z
1 2 1 2 0 先求得正交矩阵Q = 1 2 1 2 0 , 1 0 0 0 1/2 0 1/2 0 0 使QT 1/2 0 0 Q = 0 1/2 0 , 0 0 0 0 0 0
x = acost y = asint z = vt z
(tR
aO x
y
O x
a y
15
a
第六章 二次型与二次曲面
§6.2 空间中的曲面和曲线
2. 维维安尼曲线 x = a (1+cost) 2 x 2 + y 2 + z2 = a 2 y = a sint (xa/2)2 + y2 = a2/4 2 t z = asin 2
第六章
§6.2
二次型与二次曲面
空间中的曲面和曲线
§6.3
二次曲面
2011. 12. 22
1
第六章 二次型与二次曲面
§6.2 空间中的曲面和曲线
§6.2 空间中的曲面和曲线 曲面的一般方程: F(x, y, z) = 0 曲线的一般方程: F(x, y, z) = 0 G(x, y, z) = 0 曲线的参数方程: x = x(t) y = y(t) z = z(t)
b
y
x 2 z2 y = 0, 2 + 2 = 1 a c x2 y2 z = 0, 2 + 2 = 1 a b
当a, b, c中有两个相等时——旋转面 当a = b = c = R时——半径为R的球面
23
第六节空间曲线及其方程讲义
y, z)
3 1 (6 2cos sin )
3
o
•
y
x
M ( x, y,0)
x cos
L:
y
sin
0 2
z
2
2 3
cos
1 3
sin
三、空间曲线在坐标面上的投影
设空间曲线的一般方程： L
F ( x, y, z) 0 G( x, y, z) 0
消去变量z后得： H ( x, y) 0 （1）
母线平行于 y 轴的柱面方程是____________；
3、曲线 x2 z2 3 yz 2x 3z 3 0, y z 1 0在
xoz 平面上的投影方程是_______________；
4、方程组
y y
5 2
x x
1 在平面解析几何中表示______； 3
x2 5、方程组 4
4 x2 y2,
z 3( x2 y2 ),
则交线 C 在 xoy 面上的投影为
x2 y2 1, z 0.
所求立体在 xoy 面上的投影为
o
y
x2 y2 1.
x
四、小结
空间曲线的一般方程、参数方程．
F(x, y,z) 0 G( x, y, z) 0
x x(t)
y
y(t )
的截线在三个坐标面上的投影曲线方程. 解 截线方程为
y2 z2 x x 2y z 0
（3）消去x 得 yoz 面上的投影
y2 z2 2y z 0
.
x 0
四、空间曲面或立体在坐标面上的投影.
z
称区域 D 为 空间曲面 S 在 xoy 面上 的投影。
M
•
( x,
8.4曲面、曲线及其方程
z2
1
旋 转 椭
绕z 轴旋转
x2 a2
y2
z2 c2
1
球 面
(ii)抛物线 y2 2 pz绕 z 轴； ( Ellipsoid )
x 0
旋转抛物面
x2 y2 2 pz
( Paraboloid )
例9 . 试求顶点在原点且包含3个坐标轴的圆锥面方程.
解:所求的圆锥面可以看成是由 x 轴绕“过原点的旋转 轴,其旋转轴的方向为 OS (1，1，1) 旋转而成的.
f y, x2 z2 0.
绕哪个 轴旋转,该轴所对应的变量不变, 另一个变 量用其它两个变量的平方和的算术平方根(加±号) 代替。
例6. 试建立顶点在原点, 旋转轴为z轴,半顶角
为 的圆锥面方程.
z
解: 在yoz面上直线L 的方程为
绕z轴旋转时,圆锥面的方程为
L
M1(0, y1, z1)
第四、五节 空间曲面、空间曲线 及其方程
一、空间曲面方程的概念 二、旋转曲面 三、柱面 四、空间曲线方程的概念 五、空间曲线在坐标面的投影
一、曲面方程的概念
引例: 求到两定点A(1,2,3) 和B(2,-1,4)等距离的点的 轨迹方程.
解:设轨迹上的动点为 M (x, y, z),则 AM BM ,即 (x 1)2 ( y 2)2 (z 3)2 (x 2)2 ( y 1)2 (z 4)2
其中: OM (x, y, z),OM1 (t,0,0) 代入上式得
| OS OM | | OS OM1 | | OS || OM | | OS || OM1 |
化简得 2x 6 y 2z 7Fra bibliotek 0说明: 动点轨迹为线段 AB 的垂直平分面. 显然在此平面上的点的坐标都满足此方程, 不在此平面上的点的坐标不满足此方程. 曲面在空间解析几何中被看成是点的几何轨迹.
曲面曲线方程
z
在 xoy 面上的投影曲线 所围圆域: x y 1, z 0 .
2 2
C
x
o
1
y
思考与练习
1. 指出下列方程的图形:
方 程
x5
x y 9
y x 1
2 2
平面解析几何中
空间解析几何中
平行于 y 轴的直线 平行于 yoz 面的平面 圆心在(0,0) 半径为 3 的圆 斜率为1的直线 以 z 轴为中心轴的 圆柱面 平行于 z 轴的平面
2.画出图形
x 1 (1) y2
z 4 x y (2) yx0
z
2
2
z
2 y
1
o o
o x
2y
x
(3)
x z a
2
2
2
x2 y2 a2
z
a
o
a
y
x
y 5x 1 (4) y x3
z
y 5x 1 y x3
o
y
z
x2 y2 1 (5) 4 9 y3
及 x 1.
z
(1,1)
x
y2 x
o 1
(1,1)
y
x2 y2 z
x 1 z0
(1)范围：
2
2
2
x a,
y b,
z c
y2 z2 1 , b2 c2 x0 x2 z 2 1 a 2 c 2 y0
(2)与坐标面的交线：椭圆
x2 y2 1, 2 2 a b z0
x y z 2 2 1 ( a, b, c 为正数) 2 a b c
几种常见的曲面及其方程(精)
母线 平行于 z 轴; 准线 xoy 面上的曲线 l1.
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.
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. 0表示母线平行 z 轴的柱面.
又如,椭圆柱面, 双曲柱面, 抛物柱面等 .
2. 二次曲面
三元二次方程
• 椭球面
• 抛物面:
( p, q 同号)
椭圆抛物面
x2 y2 z 2 p 2q
双曲抛物面
• 双曲面: 单叶双曲面
双叶双曲面
x2 a2
y2 b2
1
• 椭圆锥面:
(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 . 研究二次曲面特性的基本方法: 截痕法
1. 椭球面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
( a,b, c为正数)
(1)范围：
ay
ay
x
x2 z2 a2 (x 0, z 0) y0
作业
P32 3， 4，5，6， 7， 8， 9，10，11，12
y z l2
x z l3
x
y y
3、旋转曲面
一条平面曲线 绕其平面上一条定直线旋转 一周 所形成的曲面叫做旋转曲面. 该定直线称为旋转 轴.
例如 :
建立yoz面上曲线C 绕 z 轴旋转所成曲面的方程:
给定 yoz 面上曲线 C: f ( y, z) 0
空间曲线与曲面的方程
空间曲线与曲面的方程一、空间曲线的方程空间曲线是在三维空间中的曲线，通常由参数方程给出。
参数方程由参数变量表示曲线上的点的位置，从而描述了曲线的形状。
下面我们来讨论一些常见的空间曲线的方程。
1. 直线的方程直线是最简单的一种空间曲线，可以用一条方程来表示。
直线的方程通常由点斜式或者两点式给出。
- 点斜式：对于一个直线上的点P(x, y, z)，斜率为m，已知直线上另一点Q(x1, y1, z1)，直线方程可以表示为：(x - x1) / (x - x1) = (y - y1) / (y - y1) = (z - z1) / (z - z1)- 两点式：已知直线上两点P(x1, y1, z1)和Q(x2, y2, z2)，直线方程可以表示为：(x - x1) / (x2 - x1) = (y - y1) / (y2 - y1) = (z - z1) / (z2 - z1)2. 圆的方程圆是一个平面上所有到一个固定点距离相等的点的集合，可以通过参数方程或者一般方程来表示。
- 参数方程：对于一个圆的中心点C(x0, y0, z0)，半径r，圆的方程可以表示为：x = x0 + r * cos(t)y = y0 + r * sin(t)z = z0其中t是参数，通常取值范围为[0, 2π]。
- 一般方程：对于一个圆的中心点C(x0, y0, z0)，半径r，圆的方程可以表示为：(x - x0)^2 + (y - y0)^2 + (z - z0)^2 = r^23. 椭圆的方程椭圆是一个平面上到两个固定点的距离之和等于常数的点的轨迹。
椭圆的方程也可以通过参数方程或者一般方程来表示。
- 参数方程：对于一个椭圆的中心点C(x0, y0, z0)，长轴a，短轴b，椭圆的方程可以表示为：x = x0 + a * cos(t)y = y0 + b * sin(t)z = z0其中t是参数，通常取值范围为[0, 2π]。
高中几何知识解析空间曲线与曲面的参数方程
高中几何知识解析空间曲线与曲面的参数方程空间曲线与曲面的参数方程是高中几何学中的重要内容，通过参数方程可以精确描述出曲线或曲面上任意一点的坐标，有助于我们研究几何图形的性质和特点。
接下来，我们将对空间曲线与曲面的参数方程进行解析和探讨。
1. 空间曲线的参数方程空间曲线是三维空间中的一个曲线，可以通过参数方程来描述。
参数方程是用一个或多个参数来表示曲线上的各个点。
以一条曲线L为例，假设点P(x, y, z)为曲线上的一点，我们可以用参数t来表示这个点的坐标，记作P(t)=(x(t), y(t), z(t))。
参数t的取值范围可以是一个区间，使得曲线上的每个点都能得到对应的坐标。
2. 空间曲面的参数方程空间曲面是三维空间中的一个二维曲面，同样可以用参数方程来表示。
参数方程可以是两个参数或更多参数的组合。
以一个曲面S为例，假设点P(x, y, z)为曲面上的一点，我们可以用参数u和v来表示这个点的坐标，记作P(u, v)=(x(u, v), y(u, v), z(u, v))。
参数u和v的取值范围可以构成一个区域，使得曲面上的每个点都能得到对应的坐标。
3. 参数方程的优势参数方程的优势在于能用较简单的表达式描述曲线或曲面的形态特征。
通过调整参数的取值范围和变化方式，我们可以获得不同形态、大小、位置的曲线或曲面。
这为解决几何问题和图形设计提供了便利，例如在计算机图形学中，通过参数方程可以生成各种真实的三维模型。
4. 参数方程与直角坐标方程的转换在实际问题中，我们有时会遇到直角坐标方程，需要将其转换为参数方程进行求解。
转换的方法一般是找到一个或多个合适的参数，使得直角坐标方程的坐标能够被表示为参数的函数。
然后通过参数方程的描述，我们可以更方便地分析几何图形的性质。
5. 参数方程的具体应用参数方程在几何学和物理学等领域有着广泛的应用。
它可以用来描述曲线的弧长、切线方程、曲率等特性，也可以用来表示曲面的切平面、法向量、曲率等信息。
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双叶双曲面 椭圆抛物面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
z
x2 a2
y2 b2
的图形（如图） 的图形（如图） 的图形（如图）
（返回）
三、空间曲线及其在坐标上的投影 1. 空间曲线其方程： 任何一条空间曲线都可以 成是两个曲面的交线 。 设
垂直与平面X+Y+Z=0，求平面方程
解：M1M2 1,0, 2，设所求平面的法向量为 n
因 M1M2 在所求平面上，故 n M1M2
面垂直于平面 X+Y+Z=0， 所以
，又所求平
i jk
n 1,1,11,0, 2 1 1 1 2,1,1
1 0 2
所求平面方程为
2(x 1) ( y 1) (z 1) 0, 即 2x y z 0
z
F(x,y,z)=0
y 0 x
例1） 求与点A(2, 1, 0)和点B(1, -3, 6)等距离的点的轨迹 解：设M(x, y, z)为轨迹上任一点，根据题意有 M1M M2M 将其写为坐标形式有
(x 2)2 ( y 1)2 z2 (x 1)2 ( y 3)2 (z 6)2
两边平方并整理得
解： 绕 x 轴旋转的曲面方程为：
x2 a2
y2 z2 b2
1
绕 y 旋转的旋转曲面方程为： 称这样的曲面为旋转椭球面
x2 z2 y2 1
a2
b2
例5．求由yoz平面上的直线z=ky绕z轴旋转而成的旋转曲面 方程
解：在z=ky中，把 y 换成 x2 y2 得到所求方程为
z k x2 y2 即 z2 k2(x2 y2)
第七节 空间曲面与曲线
本节内容提要
一、空间曲面的概念 二、几种常见的二次曲面 三、空间曲线及其在坐标上的投影
本节重点： 二次曲面 柱面 旋转曲面
本节难点：旋转曲面
教学方法：启发式、直观式
教学手段：多媒体课件和面授讲解想结合
教学课时：4学时
（返回）
一．空间曲面的概念 在空间直角坐标系中，把曲面看成空间一动点M(x, y, z)
3
3
4
0
M1M 2
cos, cos
, cos
1 2
,
1 , 2
2
2
例2 求垂直与向量 a 1, 3,1和b 2,1,3的
向量
解： a b 就是垂直与 a 和 b 的向量
i jk
a b 1 3 1 8, 1,5
2 1 3
例3 指出下列平面位置的特点，并作出图形
1） 3x-2y+z=0 解：由于方程中的常数项等于零，所以
1． x2 y2 z2 25
x y0
2.
z4
x y 0
解：1. x2 y2 z2 25 表示以原点为球心，半
径为5 的球面 , Z=4 表示平形于XOY面的一个平面。
将Z=4 代入 x2 y2 z2 25 得 x2 y2 9
表示此交线在XOY 平面上，以（0， 0 ，4 ）为
圆心，以3 为半径的圆。
(x x0 )2 ( y y0 )2 (z z0 )2 R2
这就是球心在 M 0 (x0, y0, z0 ) 半径为R的球面方程，是一个二 次曲面
（返回）
二．几种常见的二次曲面
1. 柱面：动直线L沿给定曲线C平行移动形成的曲面 叫做柱面（如图），动直线L叫做柱面的母线，定曲线C 叫做柱面的准线。我们只讨论母线平行与坐标轴的柱面。
x 4 y 6z 41 0 2
这就是所求轨迹方程，是关于X的一次方程，是一个一次曲面，
也就是平面
例2）求球心在 M 0 (x0, y0, z0 ) ，半径为R的球面方程
解：如图所示 ，在球面上任取一点M(x, y, z) ，M到 M0的距离
为R，所以 M0M R ， 即
整理得
(x x0 )2 ( y y0 )2 (z z0 )2 R
此曲面为顶点在原点，对称轴为z轴的圆锥面.(如图)
下面我们介绍几种常见的二次曲面方程，并用平面截痕法讨
论他们的图形
1.
椭球面：方程 x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
(a b 0, c
所表示的曲面称为椭球面，由方程知：
x2 a2
1
,
y2 b2
1 ,
z2 c2
1
即
x a,
y b,
z c
可见曲面包含在这六个平面所围成的长方体内，现在用平面 截痕法来讨论这个曲面的形状
例5 分别求出满足下列各组条件的直线方程。 （1）经过点（2，-3，4）而与平面 3X-Y+2Z=4 垂直。 （2）经过点（0，2，4）而与两平面 X+2Z=1 和 Y-3Z=2
平行。
解： （1）平面3X-Y+2Z=4的法向量为 n 3, 1, 2 ，所
求直线垂直与已知平面 ，故所求直线方向向量 s 3, 1, 2
z z(t)
2 空间曲线在坐标面上的投影
设空间曲线方程为 L F1(x, y, z) 0 由方程组中消去z F2 (x, y, z) 0
后得到方程 (x , y) 0
它表示母线平行于z 轴的柱面。空间曲线L上的点一定在柱 面上，（柱面包含曲线L）称柱面为曲线L关于XOY面的投影 柱面投影柱面与XOY平面的交线叫做空间曲线L在XOY平面
x
2. 旋转曲面 一条平面曲线C绕一定直线L旋转一周所形成的曲面叫
做旋转曲面，曲线C叫旋转曲面的母线，定直线L叫做旋 转曲面的轴（旋转轴），我们只讨论旋转轴为坐标轴的 旋转曲面。
设旋转曲面的母线是yoz平面上的平面曲线c f (y ,z )=0 x=0
旋转轴是Z轴, 求旋转曲面方程。（如图）
在旋转曲面上任取一点M(x, y, z)，点M是由母线上的
用xoy平面z=0截曲面，结果一个椭圆：
x2 a2
y2 b2
1
用平面 z h (h c) 截曲面，结果也是一个椭圆
x2
y2
a2
(1
h2 c2
)
b2
(1
h2 c2
)
1
zh
该椭圆随着 h 越大而变的越小，直到时 h c 该椭圆收
缩成一个点
同理，用yoz平面及x=h平面分别截曲面，以及用zox 平面和y=h平面分别截曲面得到一样的结果，根据上述结 果，可以画出椭球面（如图）
设柱面的准线是xoy平面上的曲线C
z
F(x , y )=0
Z=0
柱面的母线平行与Z轴，(如图)
L
下面建立柱面方程
y
x
C
在柱面上任取一点M(x, y, z) ，过M作直线平行与Z轴，
该直线与曲线C交与 M1点。显然，M与 M1 有相同的横
坐标和纵坐标。点 M1(x, y, 0在) 曲线C上，所以 M1(x, y, 0) 点满足曲线C的方程, 即F(x, y )=0 又因为F(x, y )=0与z无关，所以点M (x, y, z ) 的坐标也满足 F(x, y)=0，而不在柱面上的点的垂足不在曲线C上，故其坐 标不满足方程F(x, y )=0 因此，F(x , y )=0为母线平行与轴、 准线为曲线C的柱面方程 同理，F(y, z )=0为母线平行与X轴的柱面方程；F(x, z)=0为 母线平行与Y轴的柱面方程。总之，在空间直角坐标系中， 如果一个方程缺一个变量，那么该方程就是柱面方程。
解：（2） X+Y=0, X-Y=0 是两个平面。解方程组
x y0 得
x 0 表示z轴。
x y 0
y0
注：空间曲线方程 F1(x, y, z) 0 可以用与它等价的 F2 (x, y, z) 0
任何两个方程联立的方程组来代替，即空间曲线表示 的方法不唯一。
x x(t) 空间曲线还有参数方程的形式 y y(t) （t 为参数)）
与 直线的关系。
1) 2x y z 1 与 x 2 y 1
2) 3x 2 y z 1 0 与 3) x 1 y 1 z 与
1 23
x 1 y z 1 3 2 1
x2 2
y 1
z 1 1
2
解：1） 平面的法向量为
n1 2,1, 1 , n2 1, 2,0
故两个平面互相垂直
的运动轨迹。根据运动规律可以得到一个含x, y, z的三元方程， 如果方程F(x, y, z)=0与曲面有如下关系
（1） 曲面上的点的坐标满足方程 F(x, y, z)=0 （ 2） 不在曲面上的点的坐标不满足方程F(x, y, z)=0 则称方程F(x, y, z)=0为曲面方程，而曲面称为方程F(x, y, z)=0的图形（或轨迹）如图 这样曲面与 三元方程就一 一对应起来.
同理，曲线 C 绕 y 轴旋转而成的旋转曲面方程为
f (y , x2 z2 ) 0
类似地可以得到其他坐标面上的曲线绕坐标轴旋转而形 成的曲面方程。
f (x , y2 z2 ) 0
f ( x2 z2 , y ) 0
例4 写出在xoy平面上的椭圆
x2 a2
y2 b2
1
分别
绕 x 轴，y 轴旋转一周形成的旋转曲面方程。
平面通过坐标原点。
2）x+y=4 解： 由于方程中不含z的项，因此平面
平行于z 轴。
3）2x+y=0 解 ：由于方程中不含常数项，也不含z 的
项，所以平面通过z 轴。
4）z=1
解： 由于方程中不含X和Y的项，所以平
面垂直于z 轴。
如图 1） 2） 3） 4）
例4 一平面过两点 M1(1,1,1)和M 2 (0,1, 1) ，且