几种常用的二次曲面与空间曲线
第七章第5节几种常见的二次曲面
x x 0 2 y y 0 2 z z 0 2 R 2
特殊地：球心在原点时方程为
x2y2z2R2 4
例 2求 与 原 点 O 及 M 0 ( 2 ,3 ,4 )的 距 离 之 比 为 1 :2 的 点 的 全 体 所 组 成 的 曲 面 方 程 .
与平面 z z1 (|z1|c)的交线为圆.
24
截面上圆的方程
x2
y2
a2 c2
(c2
z12).
z z1
(2 ) abc,
x2 a2
ay22
az22
1
球面
方程可写为 x2y2z2a2.
25
（二）抛物面
x2 y2 z （ p与 q同号） 2 p 2q
cz22
1
双叶双曲面
o
y
x
37
五、小结
曲面方程的概念 F (x ,y,z)0 . 旋转曲面的概念及求法. 柱面的概念(母线、准线). 椭球面、抛物面、双曲面、截痕法.
（熟知这几个常见曲面的特性）
38
习题 75 P235
A组
1(1)2,， 3(2)4 ()， 4,5
39
思考题
指出下列方程在平面解析几何中和空 间解析几何中分别表示什么图形？
20
四、二次曲面
曲面方程: F(x,y,z)0
二次曲面： 三元二次方程所表示的曲面称之．
如 x2(y1)2z21
相应地平面被称为一次曲面．
如2xy3z0
讨论二次曲面方法:截痕法： 特殊的二次曲面．
21
（一）椭球面
x2 y2 z2 a2 b2 c2 1
椭球面与
几种常用的二次曲面与空间曲线
1. 指出下列方程的图形:
方程 x5
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
x2 y2 9 圆心在(0,0) 半径为 3 的圆
以 z 轴为中心轴的 圆柱面
y x 1 斜率为1的直线 平行于 z 轴的平面
55
例4：求抛物柱面 x 2y2 和平面 x z 1
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
x2 a2
y2 b2
1
• 椭圆锥面:
x2 a2
y2 b2
z2
53
3、几种常用的空间曲线
• 空间曲线 • 求投影曲线
三元方程组 或参数方程 (如, 圆柱螺线)
54
思考与练习
解:绕 x 轴旋转 所成曲面方程为
x2 a2
y2 z2 c2
1
绕 z 轴旋转所成曲面方程为
x2 y2 a2
z c
2 2
1
x
y
z
这两种曲面都叫做旋转双曲面.
20
二、柱面
z
引例. 分析方程
表示怎样的曲面 .
M
解:在 xoy 面上，
表示圆C,
C
o
M1
y
在圆C上任取一点M1(x, y,0), 过此点作 x
o y
S : x2 z2 2 py
例如:将yoz平面上的抛物线C: y2 2 pz
x
绕z轴旋转一周所产生的抛物面为:
z
S : x2 y2 2 pz
常用的二次曲面方程及其图形
双叶双曲面
x2 y2 z2 2 2 1 a2 b c
图形
标准方程
x2 y 2 1a 0，b 0 a2 b2
y2 x2 1a 0，b 0 a2 b2
F1 c， 0
焦点坐标
a, b, c
F2 c， 0
F1 0， c
F2 0，c
c 2 a 2 b 2 c a 0，c b 0
x 2 y 2 x1 x 2 y 2 2 pz1
2
3)
z1 =z 时，得到：
x2 y2 z 2 p 2 p
3、 双曲抛物面（鞍型曲面）
方程为：
x2 y2 z （p 与 q 同号） 2 p 2q
4、 双曲面
方程为： 单叶双曲面
x2 y2 z2 2 2 1 a2 b c
1、 椭圆球
x 方程为： a
曲线为：
2 2
y2 z2 2 2 1 b c
-------------------（1）
1） 2）
由方程（1）可知
x2 y2 z2 1 ， 1 ， 1， b2 c2 a2
其与三个坐标平面的交线为：
x2 y2 2 1 a2 b
z=0
x2 z2 1 a2 c2
1） 当 z=0 时，为过原点的圆，圆点在原点上。
x2 y2 2 1 a2 b
2）
当用平行与 z=0 的平面 z= z1 截双曲面时，
x2 y2 z2 2 2 1 a2 b c
Z= z1
z1 2 x2 y2 1 a2 b2 c2
-------------椭圆
3）
当 y=0 时，在 xoz 平面上为一双曲线
几种常用的二次曲面与空间曲线
建筑设计
在建筑设计中，可以利用二次曲面和空间曲线的形状和特性，设计出具有艺术感和实用性的建筑外观和内部结构。
物理学
力学研究
在力学研究中，可以利用二次曲面和空 间曲线的形状和特性，研究物体的运动 规律和受力情况，为解决实际问题提供 理论支持。
圆柱螺旋线
右旋圆柱螺旋线
右旋圆柱螺旋线是指沿着圆柱体轴线 旋转的曲线，其方向与圆柱体的旋转 方向一致。
左旋圆柱螺旋线
左旋圆柱螺旋线是指沿着圆柱体轴线 旋转的曲线，其方向与圆柱体的旋转 方向相反。
圆锥螺旋线
圆锥螺旋线
圆锥螺旋线是指沿着圆锥体轴线旋转 的曲线，其形状类似于弹簧。
圆锥摆线
圆锥摆线是指沿着圆锥体母线运动的 曲线，其形状类似于行星轨道。
双曲面
双曲面是一种常见的二次曲面，它的形状像一个马鞍形。
双曲面可以用方程表示为：x^2/a^2 + y^2/b^2 - z^2/c^2 = 1，其中a、 b、c分别表示双曲面的三个半轴长度。
双曲面在航天工程、船舶工程等领域有广泛应用，例如卫星轨道设计、飞 机机翼设计等。
二次锥面
01
二次锥面是一种常见的二次曲面，它的形状像一个锥
03 二次曲面与空间曲线的应 用
几何学
几何形状研究
二次曲面和空间曲线是几何学中重要的研究对象，通过对它们的形状、性质和 分类的研究，可以深入了解几何学的原理和性质。
空间关系分析
二次曲面和空间曲线可以用来描述和分析空间中点、线、面之间的关系，对于 解决几何问题具有重要的意义。
工程设计
机械零件设计
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
曲面方程的概念
3 2 5 2 17 即 ( x ) ( y ) , 2 2 2 它是曲线 关于x y 坐标面的投 影柱面 － 圆柱面的方程， 在 x y 坐标面上投影曲线是圆. 32 5 2 17 ( x ) ( y ) , 2 2 2 z 0 .
x x ( t ), y y ( t ), z z(t ) .
形如上的方程组称为曲线 的参数方程， t 为参数.
例 4 设质点在圆柱面 x 2 y 2 R 2上以均匀的 角速度 绕 z 轴旋转， 同时又以均匀的线速度 v 向平行于 z 轴的方向上升. 运动开始，即 t = 0 时， 质点在 P0(R, 0, 0) 处， 求质点的运动方程. z 解 设时间 t 时，质点的位置为 P( x, y, z )，由 P 作 x y 坐标面的垂线 垂足为 Q (x, y , 0) 则从 P0 到 P 所转 过的角 = t， 上升的高度 QP = vt ， 即质点的运动方程为：
表示的曲面称为圆锥面， 点 O 称为圆锥的顶点.
(2) y z 坐标面上的抛物线 z = ay2 绕 z 轴旋转所 得的曲面方程为
z a( x y ),
2 2
z
该曲面称为旋转抛物面. 其特征是: 当 a < 0 时，旋转 抛物面的开口向下. 一般地，
方程
x y z 2 2 a b
2
2
设空间曲线 的方程为
消去 z ，得
F1 ( x , y, z ) 0, F2 ( x, y, z ) 0,
G( x , y )= 0.
可知满足曲线 的方程一定满足方程 G( x, y) = 0 ， 而 G(x , y)= 0 是母线平行于 z 轴的柱面方程， 因此，柱面 G( x , y ) = 0 就是曲线 关于 x y 坐标 面的投影柱面. 而
第四节 二次曲面
x
相交的直线旋转一周， 例 直线 L 绕另一条与 L 相交的直线旋转一周，所得旋转 曲面叫圆锥面 两直线的交点叫圆锥面的顶点 圆锥面． 顶点， 曲面叫圆锥面．两直线的交点叫圆锥面的顶点，两直线的
| MO | 1 = , 根据题意有 | MM | 2
0
即
1 x + y +z = , ( x − 2) + ( y − 3) + (z − 4) 2
2 2 2 2 2 2
2 2 2
x 2 ( y 1) z 4 116 . 所求方程为 + + + + + = 3 9 3
注意1：不是每一个三元方程都表示空间曲面。
如坐标满足方程 x 2 + y 2 + z 2 + 1 = 0 的点是不存在的，故它不表示任何曲面图形。 再如，方程 x 2 + y 2 + z 2 = 0 仅表示一个点（0，0，0），方程
x2 + y 2 = 0
仅表示两个平面 x = 0, y = 0
的交线（z轴），它们
f ( y1 , z1 ) = 0
得方程
f (±
x + y , z = 0,
2 2
)
yoz 坐标面上的已知曲线 f ( y , z ) = 0 绕 z 轴旋
转一周的旋转曲面方程 转一周的旋转曲面方程. 旋转曲面方程
yoz 坐标面上的已知曲线 f ( y , z ) = 0 绕 y 同理： 同理：
轴旋转一周的旋转曲面方程为 轴旋转一周的旋转曲面方程为 旋转曲面方程
z
z y
z
O
O x y
O
空间解析几何-第3章-常见的曲面2
把方程的左边都化成两项正，一项负，则右边是1的就 表示单叶双曲面，而右边是－1的，就表示双叶双曲面.
2°绘图时要注意区分“实轴”和“虚轴”，并且保证对坐 标轴的标注要符合右手系的原则.
1、椭圆抛物面
x2 a2
, 椭圆
z h.
O
结论：单叶双曲面可看作由一
个椭圆的变动（大小位置都改
x
y
变）而产生，该椭圆在变动中，
保持所在平面与xOy 面平行，
且两对顶点分别在两定双曲线
上滑动.
用平行于坐标面的平面截割
z
(2)用y = h 截曲面
x2 Cyh： a2
z2 c2
1
h2 b2
，
y h.
①当 h b时
截线为双曲线
o
y
用平行于坐标面的平面截割
(2)用y = h 截曲面
x2 Cyh： a2
z2 c2
0，
y h.
③当 h ＝b 时
截线为直线
(0 , b , 0)
单叶双曲面： x2 y2 z2 1 a2 b2 c2
用y = h 截曲面
①当 h b 时
②当 h b 时
③当 h ＝b 时
x2 Cyh： a2
x2 Czh： a2
y2 b2
h2 c2
1,
z h.
结论：双叶双曲面可看作由 一个椭圆的变动（大小位置 都改变）而产生，该椭圆在 变动中，保持所在平面与 x
xOy 面平行，且两轴的端点
分别在两定双曲线上滑动.
z
o
y
（2）用 y t截曲面
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
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。
常见的九种二次曲面方程
常见的九种二次曲面方程九种二次曲面方程是指在三维空间中，常见的九种二次曲面的方程。
这些曲面在数学、物理、工程等领域中都有广泛的应用。
下面我们来逐一介绍这九种二次曲面方程。
1. 球面方程：$x^2+y^2+z^2=r^2$球面是一种最简单的二次曲面，它的方程表示了所有到原点距离为$r$的点的集合。
球面在几何学中有着广泛的应用，例如在计算球体的体积、表面积等方面。
2. 椭球面方程：$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$椭球面是一种形状类似于椭圆的二次曲面，它的方程表示了所有满足上述条件的点的集合。
椭球面在物理学中有着广泛的应用，例如在描述行星、卫星、分子等的运动轨迹时。
3. 椭柱面方程：$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$椭柱面是一种形状类似于椭圆的二次曲面，但它在$z$轴方向上是无限延伸的。
椭柱面在工程学中有着广泛的应用，例如在设计汽车、飞机等的外形时。
4. 双曲面方程：$\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1$双曲面是一种形状类似于双曲线的二次曲面，它的方程表示了所有满足上述条件的点的集合。
双曲面在物理学中有着广泛的应用，例如在描述电磁场、引力场等的分布时。
5. 抛物面方程：$z=ax^2+by^2+c$抛物面是一种形状类似于抛物线的二次曲面，它的方程表示了所有满足上述条件的点的集合。
抛物面在物理学中有着广泛的应用，例如在描述自由落体、抛体等的运动轨迹时。
6. 锥面方程：$z=\sqrt{x^2+y^2}$锥面是一种形状类似于圆锥的二次曲面，它的方程表示了所有满足上述条件的点的集合。
锥面在物理学中有着广泛的应用，例如在描述光线、声波等的传播时。
7. 圆锥面方程：$x^2+y^2=z^2$圆锥面是一种形状类似于圆锥的二次曲面，它的方程表示了所有满足上述条件的点的集合。
高等数学第七章：二次曲面
实际上，只要把方程以z轴为基准轴，绕z轴按逆时针
旋转 4 ，即做变换
x 2 ( X Y ), y 2 ( X Y ), z Z
2
2
原方程可化为 Z= 1（X2 -Y2） 2
可知，曲面是一个双曲抛物面。
坐标旋转公式
规定：坐标旋转是以坐标原点为中心进
行的。原右手系法则，规定将坐标系xoy
1. 椭球面
x2
y2
z2
1
( a, b, c均大于0).
a2 b2 c2
易知，|x|≤a, |y|≤b, |z|≤c. 为了了解曲面形状，先
以平行于 xy 面的平面z=z0(|z0|≤c)截曲面，得到 截线方程为
x2 a2
y2 b2
1
z02 c2
,
z z0.
因1 z02 0,
y y0.
5. 双叶双曲面
x2 y2 z2 1 a2 b2 c2
(a, b, c均大于0)
以平行于 xy 面的平面 z=z0 截曲面，所得截线方程为
z
x2 y 2 1 z02 ,
a2 b2
c2
z z0. 双曲线 Nhomakorabeay x0
以平行于xz面的平面 y=y0截曲面， 所得截线方程为
x2 z 2 1 y02 ,
a2 c2
b2
双曲线
y y0.
以平行于 yz 面的平面 x=x0 截曲面，所得截线 方程为：
y2 b2
z2 c2
x02 a2
1, 椭圆
y y0.
6、方程 7、方程 8、方程 9、方程
x 2 y 2 z 2 0 ——（椭圆）锥面 a2 b2 c2
几种常见的曲面及其方程二次曲面曲线
x y z 2 2 1 2 a a b
y 2 x2 z 2 1 2 2 a b
222aFra biblioteka y
绕 y轴旋转而成的旋转曲面方程为 即
x
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 b a b
例3 求
旋转所形成的旋转抛物面（图7-28）的方程。 解 方程 便得到旋转抛物线的方程为
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
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1. 椭球面 x2 y 2 z 2 2 2 1 ( a, b, c 为正数) 2 a b c
(1)范围： x a,
y b,
z c
(2)与坐标面的交线：椭圆
x2 y 2 2 2 1 , 黄a b z0
xoy 面上的抛物线 x ay 2 (a 0) 绕x轴
x ay 2 中的x 不变， 换成 y 2 z 2
x a( y z )
2 2
例4 求 yoz 面上的直线 z ky(k 0) 绕z轴 z 旋转一周而成的圆锥面的方程。
解 所求圆锥面的方程为
即
y
z k x2 y 2
x
l1
y
z
l2
y
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,
z
x
l3
x
母线 平行于 y 轴;
y
准线 xoz 面上的曲线 l3.
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3.旋转曲面
定义2. 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
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
高数 空间曲面讲解
将上述方程展开得
x2
?
y2
?
z2
?
2x0 x
?
2 y0 y ?
2z0z ?
x2 0
?
y2 0
?
z2 0
?
R2
即 x 2 ? y2 ? z2 ? 2ax ? 2by ? 2cz ? d ? 0
其中 a
?
? x0
,b ?
? y0
,c ?
? z0
,d
?
x2 0
?
y2 0
下面考虑母线为平面曲线的情形 ,把曲线所的 平面取作坐标面 ,把旋转轴取作坐标轴 .
设 yoz 面上的一条曲线 L ,其方程为
F (y, z) = 0 x =0
L绕轴z旋转一周就得到一个旋转面 (如图6.9).
求该旋转面的方程 .
z
设点P(x, y, z)为旋转 面上任一点 ,将该点旋转
P1(0,y1,z1) P(x, y, z)
建立球心在点 P 0(x0 , y0 , z0 ) , 半径R为的球面方程 . 空间中任一点 P( x, y, z) 在球面上 ,当且仅当
| P0 P | = R , 所以该球面方程为 : ( x ? x0 )2 ? ( y ? y0)2 ? (z ? z0 )2 ? R 2
若球心在坐标原点 ,则球面方程为 :
所表示的曲面称为 单叶双曲面 .
o
y
它关于三个坐标面对称，关于 x 三个坐标轴和坐标原点都对称 .
称为 准线 .（图 6.1）
z
下面建立柱面方程 .
设有一柱面 , 选取 坐标系，使该柱面的母 线平行于 z轴, 点P(x, y, z)
空间解析几何中的二次曲线与曲面
空间解析几何中的二次曲线与曲面空间解析几何是研究平面和空间中点、直线和曲线的位置关系、性质及其运动规律的数学分支。
在空间解析几何中，二次曲线与曲面是非常重要的概念。
本文将就空间解析几何中的二次曲线与曲面展开讨论。
一、二次曲线二次曲线是指平面上的方程为二次形式的曲线，可分为椭圆、双曲线和抛物线三类。
1. 椭圆椭圆是二次曲线中最常见的一类，其方程一般表示为：$\dfrac{x^{2}}{a^{2}} + \dfrac{y^{2}}{b^{2}} = 1$其中$a$和$b$分别表示椭圆的半长轴和半短轴。
2. 双曲线双曲线也是常见的二次曲线，其方程一般表示为：$\dfrac{x^{2}}{a^{2}} - \dfrac{y^{2}}{b^{2}} = 1$或$\dfrac{y^{2}}{b^{2}} - \dfrac{x^{2}}{a^{2}} = 1$双曲线有两支，分别沿着$x$轴向两侧无限延伸。
3. 抛物线抛物线是一种特殊的二次曲线，其方程一般表示为：$y^{2} = 2px$或$x^{2} = 2py$其中$p$表示抛物线的焦点到准线的距离。
二、二次曲面二次曲面是指空间中的方程为二次形式的曲面，可分为椭球面、双曲面、抛物面和圆台面四类。
1. 椭球面椭球面是一类二次曲面，其方程一般表示为：$\dfrac{x^{2}}{a^{2}} + \dfrac{y^{2}}{b^{2}} + \dfrac{z^{2}}{c^{2}} = 1$其中$a$、$b$和$c$分别表示椭球面在$x$、$y$和$z$轴上的半长轴。
2. 双曲面双曲面也是常见的二次曲面，其方程一般表示为：$\dfrac{x^{2}}{a^{2}} + \dfrac{y^{2}}{b^{2}} - \dfrac{z^{2}}{c^{2}} = 1$或$\dfrac{z^{2}}{c^{2}} - \dfrac{y^{2}}{b^{2}} - \dfrac{x^{2}}{a^{2}} = 1$双曲面有两部分，分别向上和向下打开。
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
高等数学几种常见的曲面及其方程
⾼等数学⼏种常见的曲⾯及其⽅程⼀、⼆次曲⾯
1-1球⾯
(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2=R2
球⼼为M0(X0,Y0,Z0)
1-2椭圆锥⾯
1-3椭球⾯
其中，表⽰xOz平⾯上的椭圆绕z轴旋转⽽成的椭球⾯。
1-4单叶双曲⾯
其中，表⽰xOz平⾯上的双曲线绕z轴旋转⽽成的单叶双曲⾯。
1-5双叶双曲⾯
其中，表⽰xOz平⾯上的双曲线绕x轴旋转⽽成的双叶双曲⾯。
1-6椭圆抛物⾯
1-7双曲抛物⾯（马鞍⾯）
⼆、柱⾯
2-1圆柱⾯
X2+Y2=R2
2-2椭圆柱⾯
2-3双曲柱⾯
2-4抛物柱⾯
y2=2px
注：形如⼆、柱⾯只含x,y⽽缺少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，其准线为xOy平⾯上的曲线C：F(x,y)=0
特别地，
1.球x2+y2+z2=R2
2.圆柱⾯x2+y2=R2
3.旋转抛物⾯X2+Y2=z(以原点为顶点，上下两个开⼝分别向上向下的抛物线旋转⽽成的图形)
4.X2+Y2=z2(以原点为顶点，上下两个开⼝分别向上向下的圆锥，锥顶⾓为90。
)。
曲面与空间曲面的总结
曲面与空间曲线的总结曲面与空间曲线一.曲面及其方程：1.曲面方程的一般概念： 定义：若曲面上的点的坐标(x,y,z)都满足方程F(x,y,z)=0，而满足此方程的点都在曲面上，则称此方程为 例1：求与A(2,3,1)和B(4,5,6)等距离的点的运动规迹。
解： 设M(x,y,z)为动点的坐标，动点应满足的条件是 |AM|=|BM|由距离公式得此即所求点的规迹方程，为一平面方程。
2.坐标面及与坐标面平行的平面方程： ①坐标平面xOy 的方程：z=0②过点（a,b,c)且与xOy 面平行的平面方程：z=c③坐标面yOz 、坐标面zOx 以及过（a,b,c)点且分别与之平行的平面方程：x=0; y=0; x=a; y=b 3. 球面方程：①球面的标准方程：以M0(x0,y0,z0)为球心，R 为半径 的球面方程为 (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=R2 ②球面的一般方程：x2+y2+z2+Ax+By+Cz+D=0球面方程的特点：平方项系数相同；没有交叉项。
例2：求x2+y2+z2+2x-2y-2=0表示的曲面 解：整理得： (x+1)2+(y-1)2+z2=22故此为一个球心在（-1,1,0)，半径为2的球。
4.母线平行于坐标轴的柱面方程：一般我们将动直线l 沿定曲线c 平行移动所形成的轨迹 称为柱面。
其中直线l 称为柱面的母线，定曲线c 称为柱面 的准线。
本章中我们只研究母线平行于坐标轴的柱面方程。
此时有以下结论：若柱面的母线平行于z 轴，准线c 是xOy 面上的一条曲线，其方程为F(x,y)=0，则该柱面的方程为F(x,y)=0; 同理，G(x,z)=0,H(y,z)=0在空间中分别表示母线平行于y 轴和x 轴的柱面。
分析：母线平行于坐标轴的柱面的特点为：平行于某轴，则在其方程中无此坐标项。
其几何意义为：无论z 取何值，只要满足F(x,y)=0，则总在柱面上。
几种常见柱面：x+y=a 平面；222222)6()5()4()1()3()2(-+-+-=-+-+-z y x z y x 整理得 0631044=-++z y x 222ay x =+圆柱面椭圆柱面； 12222=+b y a x 12222=-b y a x 双曲柱面；py x 22=抛物柱面。
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• 双曲面:
单叶双曲面
双曲抛物面 双叶双曲面
• 椭圆锥面:
x2 a2
y2 b2
1
x2 a2
y2 b2
z2
x2 a2
y2 b2
1
53
3、几种常用的空间曲线
• 空间曲线 • 求投影曲线
三元方程组 或参数方程
(如, 圆柱螺线)
54
思考与练习
1. 指出下列方程的图形:
方程线
zx
y 0
x2
y2
1
46
展示空间图形
(1) x 1 y2
z
oo
1
x
z 4 x2 y2
(2)
yx0
z
2y
o
2y
x
47
(3) x2 z 2 a2 x2 y2 a2
z
a
oa
y
x
48
y 5x 1 y x3
z
y 5x 1
y x3 o
y
49
z
x2 y2 1 49 y3
2 x 思考: 对平面 y b
S : x2 y2 2 pz z a(x2 y2)
问:此曲线若绕x轴旋转所得的是何图形?
z2 2 py
o y
y2 2 pz
x
z
0
y
17
例2: S : z 1 x2 y2
其图形顶点在z轴上(0,0,1)处,
z
(0,0,1)
开口向下的旋转抛物面. 例3. 旋转椭球面
0
y
特点:母线C为椭圆,轴为椭圆的
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.
x l1
y z l2 y
x z l3
x
y
37
注:柱面方程与坐标面上的曲线方程容易混淆,
在不同的坐标系中应该注意。
一般在xoy面上的曲线，在空间直角坐标系中应该
1
x
y
这两种曲面都叫做旋转双曲面.
分别绕 x
z
20
二、柱面
z
引例. 分析方程
表示怎样的曲面 .
解:在 xoy 面上， 在圆C上任取一点
平行 z 轴的直线 l ,
M
表示圆C,
M1(x, y,0) , 过此点作
Co
M1
y
x
z 对任意 , 点M (x, y, z)
l
的坐标也满足方程
x2 y2 R2
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
x2 y 2 R2 表示圆柱面
21
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,
z
母线平行于 z 轴;
准线为xoy 面上的抛物线.
•
x2 a2
y2 b2
1表示母线平行于
z 轴的椭圆柱面.
xoy平面的投影柱面，
因此交线在xoy面的投影曲线：
C : 2.
x 2 y 2 它是xoy面上的一条抛物线。 z 0 平面 x z 1 的母线 L//y轴，则它就是交线
在xoz平面的投影柱面，
因此交线在xoz面的投影曲线：
C :
3.由
x z 1
y
0
x 2y2
x z 1
( x 0) 它是xoz面上的一条射线。
x2 y2 9
圆心在(0,0) 半径为 3 的圆
y x 1
斜率为1的直线
空间解析几何中 平行于 yoz 面的平面 以 z 轴为中心轴的 圆柱面
平行于 z 轴的平面
55
例4：求抛物柱面 x 2 y2 和平面
的交线 三个坐标面的投影。
x z 1
解：1. x 2 y2 的母线 L//z轴，则它就是交线在
消去 z 得投影柱面
满足（1）的数
x, y, z 中的
这说明曲线C上所有点都在（2）
x, y 必满足（2）式。
z
式所表示的曲面上。 则C 在xoy 面上的投影曲线 C´为
H
(
x, y) z0
0
C
y
x
C
42
2、空间曲线在坐标面上的投影 设空间曲线 C 的一般方程为
消去 x 得C 在yoz 面上的投影曲线方程
表示为： F (x, y) 0 z 0
而 F (x, y) 0 在空间坐标系中表示柱面。
例如：抛物柱面
z 1 x2
z
在xoz平面上的准线L3
(0,0,1)
L3
L3 :
z 1 x2
y
0
x
y
38
三、几种常用的空间曲线
三元二次方程
Ax2 By2 Cz 2 Dxy Eyx Fzx Gx Hy Iz J 0
交线情况如何?
交线情况如何?
3y
50
z
z
ay x
ay x
xz20y2 ax
x2 z2 a2 (x 0, z 0) y0
51
内容小结
1. 空间曲面
三元方程 F (x , y , z) 0
• 球面 (x x0 )2 ( y y0 )2 (z z0 )2 R2
• 旋转曲面
如, 曲线
16
同理：当曲线 C : f ( y, z) 0
绕 y 轴旋转时得旋转曲面方程:
例1. 旋转抛物面
f (y,
x2 z2 ) 0
特点:母线C为抛物线,轴L为抛物线的对称轴。
z
例如:将yoz平面上的抛物线C:
绕 y 轴旋转一周所产生的抛物面为:
S : x2 z2 2 py
例如:将yoz平面上的抛物线C: 绕z轴旋转一周所产生的抛物面为:
x 消去 得 2 y2 z 1 为交线关于yoz
面的投影柱面,则
C :
2 y2 z 1
它是yoz面上的一条抛物线.
x 0
56
几种常用的二次曲面与空间曲线
一、旋转曲面 二、柱面 三、几种常用的空间曲线
1
一、旋转曲面
定义1. 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 :
2
下面我们重点讨论母线在坐标面,轴是坐标轴的
旋转曲面.
建立yoz面上曲线C 绕 z 轴旋转所成曲面的方程:
(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
39
1、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:
z
称它为空间曲线的 参数方程.
o
x
y
z
• x y 0 表示母线平行于
z 轴的平面.
(且 z 轴在平面上)
o
y
x
x
C
z o
y
36
一般地,在三维空间曲面图形的方程中缺少一个变量,
此方程表示柱面方程.其图形平行于所缺变量对应的数轴.
方程 F (x, y) 0 表示柱面,
z
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,
z L
z绕 轴旋转时,圆锥面的方程为
M (0, y, z)
y
两边平方
x z2 a2( x2 y2 )
19
例5. 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
x2 a2
y2 z2 c2
1
绕 z 轴旋转
所成曲面方程为
x2 y2 a2
z2 c2
z
Co 1 y
x
oy x
45
例4 求曲线
绕 z 轴旋转的曲面与平面
x y z 1的交线在 xoy 平面的投影曲线方程.
解：
旋转曲面方程为
z x2 y 2 ,它与所给平面的
交线为
z x2 y2 x y z 1
此曲线向 xoy 面的投影柱面方程为
此曲线在 xoy 面上的投影曲线方程为
f (y, z) x0
0
绕
z
轴的旋转曲面:
f ( x2 y2 , z) 0
• 柱面
如,曲面 F (x , y) 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 .
52
2. 二次曲面
• 椭球面
三元二次方程
• 抛物面:
椭圆抛物面
( p, q 同号)
x2 y2 z 2 p 2q
x
对称轴. 例如:yoz面上的椭圆:
y2 a2
z2 b2
1
绕z轴旋转得旋转曲面方程:
x2 y2 a2
z2 b2
1
绕y轴旋转得旋转曲面方程:
y2 a2
x2 z2 b2
1
注:旋转曲面的重要特征是其两个变量的平方项系数相等.
18
例4. 试建立顶点在原点, 旋转轴为z 轴, 半顶角为
的圆锥面方程. 解: 在yoz面上直线L 的方程为
R(
y, z) x0
0
消去y 得C 在zox 面上的投影曲线方程