第七章 多元函数微分学
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第七章 多元函数微分学. | |. 7.1 向量代数与空间解析几何. 向量的概念 :. 向量:. 既有大小又有方向的量. 向量表示:. 或. 向量的大小. 向量的模:. 或. 单位向量:. 模长为 1 的向量. 或. 零向量:. 模长为 0 的向量. 空间直角坐标系中任一点 与原点构成的向量. 自由向量:. 不考虑起点位置的向量. —— 本书讨论的是自由向量. 相等向量:. 大小相等且方向相同的向量. 负向量:. 大小相等但方向相反的向量. 向径:. ‖. 向量的线性运算 :. [1] 加法:. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第七章 多元函数微分学第七章 多元函数微分学
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第七章 多元函数微分学
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向量:既有大小又有方向的量 .
向量表示:
以1M为起点,2M为终点的有向线段.
1M
2M
a
21MM
模长为 1 的向量 .21MM 00a
零向量:模长为 0 的向量 .0
|| a
21MM| |向量的模:向量的大小 .
单位向量:
向量的概念 :
或
或
或
7.1 向量代数与空间解析几何
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自由向量:不考虑起点位置的向量 .
相等向量: 大小相等且方向相同的向量 .
负向量:大小相等但方向相反的向量 . a
向径:
a
b
a a
空间直角坐标系中任一点 与原点构成的向量 . OM
M
—— 本书讨论的是自由向量 .
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[1] 加法: cba
a
bc
(平行四边形法则)
特殊地:若 a‖ b
a b
c |||||| bac
分为同向和反向
b
a c
|||||| bac
(三角形法则)
向量的线性运算 :b
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向量的加法符合下列运算规律:
( 1 )交换律: .abba
( 2 )结合律: cbacba )( ).( cba
( 3 ) .0)( aa
[2] 减法 )( baba a
b
b
b
c
ba
baa
b
ba
bac
)(
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设是一个数,向量a与的乘积a规定为,0)1( a与a同向,|||| aa
,0)2( 0a
,0)3( a与a反向, |||||| aa
a
a
2 a
21
[3] 向量与数的乘法
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数与向量的乘积符合下列运算规律:
( 1 )结合律:
( 2 )分配律: aaa )(
baba )(
.
0
ab
aba
,使一的实数分必要条件是:存在唯
的充平行于,那末向量设向量定理
关于两个向量的平行关系有如下结论:
)( a
a
)( )( a
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,则单位向量为
同向的是一个非零向量,记与设0a
aa
0|| aaa
非零向量单位化 :
0aaa
.ixopxP
的坐标为
则确定了数轴及单位向量设点 ,xio
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A B
CD
M
a
b
.
.
,,.
1
点交是平行四边形对角线的这里和
表示向量,试用
,中,设在平行四边形例
MMD
MCMBMAbabAD
aABABCD
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Ⅶ
yo
z
xoy面
yoz面zox面
空间直角坐标系 有三个坐标面和八个卦限
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅷ
x
空间直角坐标系 :1 、坐标系
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空间的点 有序数组 ),,( zyx 11—
特殊点的表示 :
)0,0,0(O
M
x
y
z
o
)0,0,(xP
)0,,0( yQ
),0,0( zR
)0,,( yxA
),,0( zyB
),,( zoxC
坐标轴上的点 ,P ,Q ,R
坐标面上的点 ,A ,B ,C
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x
y
z
o
)0,0,(xP
)0,,0( yQ
),0,0( zR
),,( zyxM
),,( zyxM 11— OM向径
),,( zyxOM kzjyix
2 、向量的坐标分解式
_____ 向量的坐标分解式
M
以kji,, 分别表示沿zyx,, 轴正向的单位向量.
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向量的加减法、向量与数的乘法运算的坐标表达式),,,( zyx aaaa
),,,( zyx bbbb
),,( zzyyxx babababa
),,( zyx aaaa
;)()()( kbajbaiba zzyyxx
.)()()( kajaia zyx
利用坐标作向量的线性运算 :
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aba
//0,当
ab
),,,( zyx aaa),,( zyx bbb
z
z
y
y
x
x
cb
a
b
ab
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向量的模与方向角、投影 :1 、向量的模
x
y
z
o
)0,0,(xP
)0,,0( yQ
),0,0( zR
),,( zyxM
M
,),,( zyxr 设向量
.222 zyxOMr
,rOM 作向径
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.212
212
21221 zzyyxxMM
空间两点间距离公式
x
y
z
o
1M
P NQ
R 2M设 有
),,( 1111 zyxM 、
),,( 2222 zyxM
kzzjyyixxMM
)()()( 12121221
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例2 求证以 )1,3,4(1M 、 )2,1,7(2M 、 )3,2,5(3M
三点为顶点的三角形是一个等腰三角形.
解 2
21MM ,14)12()31()47( 222
2
32MM ,6)23()12()75( 222
2
13MM ,6)31()23()54( 222
32MM ,13MM 原结论成立 .
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非零向量 的方向角:a
非零向量与三条坐标轴的正向的夹角称为方向角 .、、
,0
,0
.0
x
y
z
o
1M 2M
2 、方向
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x
y
z
o
1M 2M
由图分析可知cos|| aax
cos|| aa y
cos|| aaz
向量的方向余弦方向余弦通常用来表示向量的方向 .
222|| zyx aaaa
PQ
R
向量模长的坐标表示式
2
1
2
1
2
121 RMQMPMMM
),,,(21 zyx aaaaMM
设
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0222 zyx aaa当 时,
,cos222zyx
x
aaa
a
,cos222zyx
y
aaa
a
.cos222zyx
z
aaa
a
向量方向余弦的坐标表示式
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1coscoscos 222
方向余弦的特征
0a
}.cos,cos,{cos
特殊地:单位向量的方向余弦为
aa
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两点间的距离;21 ,)2( MM
上的单位向量;21)4( MM
的方向余弦;向量 21)3( MM
的坐标表示式;向量试求已知例
21
21
)1(
),7,6,1(),5,2,2(3
MM
MM
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.,332cos
31cos4
aa
a
求且
,,的方向余弦设例
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3 、向量在轴上的投影
的关系轴与OMx)1(
)0,0,(xPx
y
z
o
),,( zyxM
ixOP
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练习 求平行于向量 kjia
676 的单位向
量的分解式.
解 所求向量有两个,一个与 同向,一个反向a
222 )6(76|| a ,11
0a )11
6
11
7
11
6( kji
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例5 设 kjim853, kjin
742,
kjip45,求向量 pnma
34 在x轴上的投影及在y轴上的分向量.
解 pnma 34
)853(4 kji
)742(3 kji
)45( kji
,15713 kji
在x轴上的投影为13xa ,
在y轴上的分向量为j7.
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向量a与b的数量积为ba
cos|||| baba
(其中为a与b的夹角)1. 定义
两向量的数量积 :
数量积也称为“点积”、“内积” .
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第第 2929页页
2. 数量积的性质
0)2( ba .ba
.||)1( 2aaa
0
1
kjikijjkkiji
kkjjii
以kji,, 分别表示沿zyx,, 轴正向的单位向量.
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3. 数量积符合下列运算规律:( 1 )交换律: ;abba
( 2 )分配律:
;)( cbcacba
( 3 )结合律:
),()()( bababa
若 、 为数:
).()()( baba
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,kajaiaa zyx
kbjbibb zyx
设
zzyyxx babababa
4. 数量积的坐标表达式
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222222cos
zyxzyx
zzyyxx
bbbaaa
bababa
—— 两向量夹角余弦的坐标表示式
ba
0 zzyyxx bababa
两向量垂直的充要条件为
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.
)3(),()2()1(
,1
的投影上在,,
,试求:设例
bababa
kjbjia
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.2 余弦定理试用向量证明三角形的例
),)(2(.1
3),(1
,2,3,23
BABA
bab
abaBbaA
)(
,试求,
设例
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第第 3535页页
①
),,( 0000 zyxM设一平面通过已知点 且垂直于非零向
0)()()( 000 zzCyyBxxA
O
z
yx
0M
nM
称①式为平面的点法式方程 ,
求该平面的方程 .,),,( zyxM任取点
法向量.
量 ,),,( CBAn
nMM 0 00 nMM
则有 故
的为平面称 n
平面及其方程:
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特别 ,当平面与三坐标轴的交点分别为
此式称为平面的截距式方程 .
1cz
by
ax
时 ,)0,,( cba
平面方程为
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平面的一般方程:设有三元一次方程
以上两式相减 , 得平面的点法式方程
此方程称为平面的一般
0 DzCyBxA
任取一组满足上述方程的数 ,,, 000 zyx 则0000 DzCyBxA
显然方程②与此点法式方程等价 ,
)0( 222 CBA ②
),,( CBAn 的平面 , 因此方程②的图形是
法向量为 方程 .
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特殊情形:
• 当 D = 0 时 , A x + B y + C z = 0 表示
通过原点的平面 ;
• 当 A = 0 时 , B y + C z + D = 0 的法向量 平面平行于 x 轴 ;
• A x+C z+D = 0 表示• A x+B y+D = 0 表示• C z + D = 0 表示• A x + D =0 表示• B y + D = 0 表示
0 DCzByAx
平行于 y 轴的平面 ;
平行于 z 轴的平面 ;
平行于 xOy 面 的平面 ;平行于 yOz 面 的平面;平行于 zOx 面 的平面 .
,),,0( iCBn
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例 2. 求通过 x 轴和点 ( 4, – 3, – 1) 的平面方程 .解 :因平面通过 x 轴 , 0DA故
设所求平面方程为0 zCyB
代入已知点 )1,3,4( 得化简 ,得所求平面方程
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三、两平面的夹角
设平面∏ 1 的法向量为
平面∏ 2 的法向量为则两平面夹角 的余弦为
cos
即212121 CCBBAA
22
22
22 CBA 2
12
12
1 CBA
两平面法向量的夹角 (常指锐角 )称为两平面的夹角 .
1
2
2n1n
),,( 1111 CBAn
),,( 2222 CBAn
21
21cosnn
nn
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2
特别有下列结论:
21)1(
0212121 CCBBAA
21 //)2(
2
1
2
1
2
1
CC
BB
AA
1
1
2
21
21cosnn
nn
21 nn
21 // nn
2n
1n
2n
1n
),,(:
),,(:
22222
11111
CBAn
CBAn
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第第 4242页页
因此有
例 4. 一平面通过两点
垂直于平面∏ : x + y + z = 0, 求其方程 .
解 : 设所求平面的法向量为
,020 CBA 即的法向量 ,0 CBA
)0(0)1()1()1(2 CzCyCxC
约去 C , 得 0)1()1()1(2 zyx
即 02 zyx
0)1()1()1( zCyBxA
)1,1,1(1M ,)1,1,0(2 M和
则所求平面
故
方程为
n21MMn
且
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第第 4343页页
外一点 ,求例 5. 设
222101010 )()()(
CBA
zzCyyBxxA
222000
CBA
DzCyBxAd
解 :设平面法向量为 ),,( 1111 zyxP
在平面上取一点
是平面到平面的距离 d .0P
, 则 P0 到平面的距离为
01Prj PPd n
n
nPP 01
0P
1P
n
d
,),,( CBAn
( 点到平面的距离公式 )
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y
x
z
O
例 6.
解 : 设球心为
求内切于平面 x + y + z = 1 与三个坐标面所构成
则它位于第一卦限 ,且
222
000
111
1zyx
00 331 xx ,1000 zyx
因此所求球面方程为
000 zyx
,),,( 0000 zyxM
四面体的球面方程 .
故
)(半径R
0M
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空间直线方程:
xy
z
O
01111 DzCyBxA
1
2
L
因此其一般式方程1. 一般式方程
直线可视为两平面交线,
(不唯一 )
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z
yx 0x
0yO
),,( 0000 zyxM
2. 对称式方程
故有
说明 : 某些分母为零时 , 其分子也理解为零 .
m
xx 0
0
0yyxx
设直线上的动点为 则
),,( zyxM
n
yy 0
p
zz 0
此式称为直线的对称式方程 ( 也称为点向式方程 )
直线方程为
已知直线上一点 ),,( 0000 zyxM
),,( zyxM
例如 , 当
,0,0 时 pnm
和它的方向向量
s
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第第 4747页页
3. 参数式方程
设
得参数式方程 :
tp
zz
n
yy
m
xx
000
tmxx 0
tnyy 0
tpzz 0
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2L
1L
线面间的位置关系:1. 两直线的夹角
则两直线夹角 满足
设直线 L1, L2 的方向向量分别为
两直线的夹角指其方向向量间的夹角 (通常取锐角 )
212121 ppnnmm 2
12
12
1 pnm 22
22
22 pnm 21
21cosss
ss
1s
2s
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特别有 :
21)1( LL
21 //)2( LL
0212121 ppnnmm
2
1
2
1
2
1
pp
nn
mm
21 ss
21 // ss
2L
1L1s
2s
2L1L1s
2s
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第第 5050页页
例 2. 求以下两直线的夹角
解 : 直线 L1 的方向向量为
直线 L2 的方向向量为
二直线夹角 的余弦为
02
02:2 zx
yxL
cos
从而4π
)1,2,2(
)1(1)2()4(21 222 1)4(1 222 )1()2(2
201
0112
kji
s
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当直线与平面垂直时 ,规定其夹角为
线所夹锐角 称为直线与平面间的夹角 ;L
2. 直线与平面的夹角当直线与平面不垂直时 ,
设直线 L 的方向向量为 平面 的法向量为
则直线与平面夹角 满足
222222 CBApnm
pCnBmA
直线和它在平面上的投影直
),,( pnms
),,( CBAn
︿),cos(sin ns
ns
ns
sn
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第第 5252页页
特别有 :L)1(
//)2( L 0 pCnBmA
pC
nB
mA ns //
ns
解 : 取已知平面的法向量
421 zyx则直线的对称式方程为
直的直线方程 .
为所求直线的方向向量 .
132
垂
)1,3,2( n n
例 3. 求过点 (1, - 2 , 4) 且与平面
第七章 多元函数微分学第七章 多元函数微分学
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第第 5353页页
.)2,4,1(
)2,3,2(1
程等距,求动点轨迹的方及与二定点一动点例
B
AM
曲面及其方程 :
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第第 5454页页
0),,( zyxF
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
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 .两个基本问题 :
(1) 已知一曲面作为点的几何轨迹时 ,
(2) 不在曲面 S 上的点的坐标不满足此方程
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 ).
Sz
yx
O
一、曲面方程的概念
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第第 5555页页
几个常见的曲面方程:二、球面).(a
.
,,,,)1( 222
相等,符号相同系数的二次方程,且它是 zyxzyx
.,,)2( 等乘积项方程中不出现 zxyzxy
特点:M
Ox
y
z
0M
220
20
20 )()()( Rzzyyxx
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第第 5656页页
例 2. 研究方程
解 : 配方得
5,)0,2,1(0 M
可见此方程表示一个球面
说明 :如下形式的三元二次方程 ( A≠ 0 )
都可通过配方研究它的图形 .其图形可能是
的曲面 . 表示怎样
半径为球心为
一个球面, 或点, 或虚轨迹 .
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第第 5757页页
x
o
z
y
0),( zyf
),,0( 111 zyMMd旋转曲面).(b
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 .该定直线称为旋转轴 . 故旋转曲面方程为
0),( 22 zyxf
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第第 5858页页
思考:当曲线 C 绕 y 轴旋转时,方程如何?
0),(: zyfC
O y
x
z
0),( 22 zxyf
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第第 5959页页
x
y
z
O
例 3. 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
绕 z 轴旋转时 ,圆锥面的方程为
)( 2222 yxaz
两边平方
L
),,0( zyM
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第第 6060页页
x y
z
O
x y
z
O
例 4. 求坐标面 xOz 上的双曲线
分别绕 x
轴和 z 轴旋转一周所生成的旋转曲面方程 . 解 : 绕 x 轴旋
转1
2
22
2
2
c
zy
a
x
绕 z 轴旋转
12
2
2
22
c
z
a
yx
这两种曲面都叫做旋转双曲面 .
所成曲面方程为
所成曲面方程为
x y
z
O
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第第 6161页页
(2)椭圆
0
12
2
2
2
xczay绕 y轴和z轴;
绕y轴旋转
绕z轴旋转
12
22
2
2
czx
ay
12
2
2
22
cz
ayx
旋转椭球面
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第第 6262页页
(3)抛物线0
22
x
pzy绕z轴;
pzyx 222 旋转抛物面
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柱面).(c
.变量的同名坐标轴于不出现的那个即为柱面,其母线平行变量的曲面,凡是方程中仅出现两个
特点:
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第第 6464页页
x
y
z
引例 . 分析方程表示怎样的曲面 .
的坐标也满足方程
解 :在 xOy 面上,
表示圆 C,
222 Ryx
沿圆周 C 平行于 z 轴的一切直线所形成的曲面称为圆 故在空间
222 Ryx
过此点作
柱面 .
对任意 z ,
平行 z 轴的直线 l ,
表示圆柱面
C
在圆 C 上任取一点 ,)0,,(1 yxM
l
M
1M
),,( zyxM点
其上所有点的坐标都满足此方程 ,
O
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第第 6565页页
O
xy
z
x y
z
O
x
y
z
定义 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 .
表示抛物柱面 ,
母线平行于 z 轴 ;
准线为 xOy 面上的抛物线 .
z 轴的椭圆柱面 .
12
2
2
2
b
y
a
x
z 轴的平面 .
0 yx 表示母线平行于
C
( 且 z 轴在平面上 )
表示母线平行于
C 叫做准线 , l 叫做母线 .
O
l
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第第 6666页页
x
z
y
2l
一般地 ,在三维空间
柱面 ,
柱面 ,
平行于 x 轴 ;
平行于 y 轴 ;
平行于 z 轴 ;
准线 xOz 面上的曲线 l
3.
母线
柱面 ,
准线 xOy 面上的曲线 l1.
母线
准线 yOz 面上的曲线 l
2.
母线
表示方程 0),( yxF
表示方程 0),( zyG
表示方程 0),( xzH
x y
z
3l
xy
z
1l
O
O
O
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(d ) 、二次曲面三元二次方程
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
其基本类型有 :
椭球面、抛物面、双曲面、锥面的图形统称为二次曲面 .
FzxEyxDxyCzByAx 222
0 JIzHyGx
( 二次项系数不全为 0 )
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1. 椭球面
),,(12
2
2
2
2
2
为正数cbac
z
b
y
a
x
(1) 范围:czbyax ,,
(2) 与坐标面的交线:椭圆
,0
12
2
2
2
zb
y
a
x,
0
12
2
2
2
xc
z
b
y
0
12
2
2
2
yc
z
a
x
o
z
yx
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12
2
2
2
2
2
c
z
b
y
a
x
与 )( 11 czzz 的交线为椭圆:
1zz
(4) 当 a = b 时为旋转椭球面 ;
同样 )( 11 byyy 的截痕及也为椭圆 .
当 a = b = c 时为球面 .
(3) 截痕 :
1)()( 2
12
2
21
2
2
2
2
2
2
zc
y
zc
x
cb
ca
cba ,,( 为正数 )
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2. 抛物面
zq
yp
x 22
22
(1) 椭圆抛物面
( p , q 同号 )
(2) 双曲抛物面(鞍形曲面)
zq
yp
x 22
22( p , q 同号 )
z
yx
O
z
yxO
特别 ,当 p = q 时为绕 z 轴的旋转抛物面 .
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第第 7171页页
z
xy
o
xy
z
o
0,0 qp 0,0 qp
).(22
22
同号与qpzqy
px
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第第 7272页页
).(22
22
同号与qpzqy
px
x
y
z
o
双曲抛物面(马鞍面)
时,当 0,0 qp
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3. 双曲面(1) 单叶双曲面
by 1)1
上的截痕为平面 1zz 椭圆 .
时 , 截痕为
2
21
2
2
2
2
1b
y
c
z
a
x ( 实轴平行于 x 轴;虚轴平行于 z 轴)
1yy
),,(12
2
2
2
2
2
为正数cbac
z
b
y
a
x
1yy 平面
上的截痕情况 :
双曲线 :
z
x yO
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第第 7474页页
虚轴平行于 x 轴)
by 1)2 时 , 截痕为
0cz
ax
)( bby 或by 1)3 时 , 截痕为
2
21
2
2
2
2
1b
y
c
z
a
x
( 实轴平行于 z 轴 ;1yy
相交直线 :
双曲线 :
0
z
x yO
z
x yO
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第第 7575页页
(2) 双叶双曲面
),,(12
2
2
2
2
2
为正数cbac
z
b
y
a
x
上的截痕为平面 1yy 双曲线上的截痕为平面 1xx
上的截痕为平面 )( 11 czzz 椭圆
注意单叶双曲面与双叶双曲面的区别 :
双曲线
2
2
2
2
2
2
c
z
b
y
a
x 单叶双曲面1
1 双叶双曲面
P18
O
z
xy
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12
2
2
2
2
2
cz
by
ax
x
yo
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第第 7777页页z
xy
4. 椭圆锥面
),(22
2
2
2
为正数bazb
y
a
x
上的截痕为在平面 tz 椭圆
在平面 x = 0 或 y = 0 上的截痕为过原点的两直线 .
1)()( 2
2
2
2
tb
y
ta
x tz ,
可以证明 , 椭圆①上任一点与原点的连线均在曲面上.
①
( 椭圆锥面也可由圆锥面经 x 或 y 方向的伸缩变换得到 )
xy
z
O
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第第 7878页页
22
2
2
2
zby
ax
x
yo
z
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第第 7979页页
内容小结1. 空间曲面 三元方程 0),,( zyxF
• 球面 220
20
20 )()()( Rzzyyxx
• 旋转曲面如 , 曲线
00),(
xzyf 绕 z 轴的旋转曲面 :
0),( 22 zyxf• 柱面
如 , 曲面 0),( yxF 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 .
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第第 8080页页
2. 二次曲面 三元二次方程
),( 同号qp
• 椭球面
• 抛物面 :
椭圆抛物面 双曲抛物面
zq
yp
x 22
22
• 双曲面 :单叶双曲面
2
2
2
2
b
y
a
x 1
双叶双曲面
2
2
2
2
b
y
a
x 1
• 椭圆锥面 : 22
2
2
2z
b
y
a
x
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第第 8181页页
5x
922 yx
1xy 斜率为 1 的直线
平面解析几何中 空间解析几何中方 程
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 的圆以 z 轴为中心轴的圆柱面
平行于 z 轴的平面
思考与练习1. 指出下列方程的图形 :
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第第 8282页页
空间曲线的一般方程 :
一般方程:
0),,(
0),,(
zyxG
zyxF
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第第 8383页页
例 1 方程组 表示怎样的曲线?
6332
122
zyx
yx
解 122 yx 表示圆柱面,
6332 zyx 表示平面,
6332
122
zyx
yx
交线为椭圆 .
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第第 8484页页
例 2 方程组 表示怎样的曲线?
4)
2(
222
222
ay
ax
yxaz
解 222 yxaz
上半球面 ,
4)
2(
222 ay
ax 圆柱面 ,
交线如图 .
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第第 8585页页
参数方程: ).(
)(
)(
)(
t
tz
ty
tx
空间曲线的参数方程:
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第第 8686页页
动点从 A点出发,经过 t时间,运动到M点
例 如果空间一点M在圆柱面 222 ayx 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.
A
M
M
M在xoy面的投影 )0,,( yxM
tax costay sin
vtz t螺旋线的参数方程
取时间 t为参数,解
x y
z
o