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高数——曲面及其方程

常见的二次曲面方程

针对以下的这些曲面方程,我们需要做到,在出现某个方程或其变形时,可以回想到时哪个曲面,从而能够通过数形结合解决问题
研究曲面时,涉及截痕法,本质是令一个参数为固定值,将三维球体降维成为二维截面进行研究,转换为三维时,只需要令截面绕固定参数所在的轴旋转即可得到,在公式中的表现为,含有该参数的项数变为了大于0的常数,从而可以消去,剩下的公式则是某些特定几何(比如圆,椭圆,双曲线,抛物线)的公式

球面

图示:

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公式:

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注意:
  • 本质为空间上任一点(球面上一点)到某个点(球心)的距离恒为R(半径)的点的集合(球面)
  • 平方项的系数相同
  • 不会出现交叉项,比如xy+xz…
  • 椭球面:

    图示:

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    公式:

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    注意:
  • 其中,abc均为正数
  • 圆锥面:

    图示:

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    公式:

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    注意:
  • 用截痕法可以发现,将等式左右同乘a²后,和圆的公式一样,只是半径会随着z的变化而变化,本质上是在研究不同位置的圆的组合
  • 椭圆锥面:

    图示:

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    公式:

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    旋转抛物面:

    图示:

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    公式:

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    椭圆抛物面:

    图示:

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    公式:

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    单叶双曲面:

    图示:

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    公式:

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    双叶双曲面:

    图示:

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    公式:

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    注意:

  • 单叶双曲面和双叶双曲面,在等式右边都为1(或大于0)的情况下,符号为++ – 的是单叶,+ – -的是双叶
  • 如果记混了,可以用截痕法,固定其中一个轴,比如在双叶的公式里固定x轴就发现整个式子怪怪的,两个-号算完是个正数
  • 双曲抛物面

    图示:

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    公式:

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    旋转曲面方程

    在认识了各种常规的二次局面方程后,我们通常会遇到某些不常规的曲面方程

    概念:

    以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面叫旋转曲面,旋转曲线和定直线分别叫旋转曲面的母线和轴。
    我们需要做的,是在已知曲线方程(比如:f(x,y) )的情况下,得出旋转后形成的曲面方程

    求解方法:

    曲线绕哪个轴转,令该变量不变,另一变量改为其与缺失变量的平方 和,后开正负平方根,
    比如xOz上的曲线,该曲线的方程为f(x,z),绕z轴旋转一周形成曲面,其方程为:
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    (绕z轴转,z不变,y缺失,令x变为 ±根号下(x²+y²) )
    图示:
    在这里插入图片描述

    注意:

    在学习了旋转曲面后再回头看二次曲面方程,结合截痕法就能对其有更深入的理解,下面我举几个例子。
    比如椭球面,公式长这样:
    在这里插入图片描述

    结合截痕法,如果假定是xOz上的(y为0,缺失变量)曲线在绕z轴旋转,则z变量不变,x变为自身与缺失变量的平方和后的正负平方根,公式变为:
    在这里插入图片描述
    在此基础上通过伸缩变换y方向的图形,使其系数变为1/b²,变成了椭球方程,其实,伸缩也有一定规律,伸长了n倍,就要乘1/n(其倒数),为什么,比如看视频用倍速,本来十分钟的视频加2倍速五分钟就看完了,在数轴上的体现就是被压缩了,或者叫函数变化的频率变快了

    柱面方程

    概念:

    平行于直线L并沿着特定曲线C移动而形成的曲面叫做柱面,其中直线L为母线,C为准线

    特点:

  • 下面的柱面方程看起来很像高中学过的解析几何的方程,只是在此基础上升了一个维度,变得立体了而已
  • 柱面方程为二元方程,缺少哪个变量,则柱面的母线就平行于哪个轴
  • 当我们已知准线和母线,求柱面方程时,往往是需要消去母线平行的那个变量,然后求方程
  • 常见的二次柱面方程:

    椭圆柱面:

    图示:

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    公式:

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    双曲柱面:

    图示:

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    公式:

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    抛物柱面:

    图示:

    在这里插入图片描述

    公式:

    在这里插入图片描述

    总结如何分辨曲面

  • 涉及锥面和抛物面,方程内没有常数项,而且,前者各参数项都为二次,后者有参数项为一次
  • 涉及圆还是椭圆,要看方程内各参数项的系数,相同的是圆,不同的是椭圆
  • 涉及球和椭球,方程内参数是同号的
  • 涉及单双叶双曲面的,方程等式右侧需要是正数,左侧为+ + -的为单叶,+ – -的为双叶
  • 涉及柱面的,方程内部可能缺少某个参数,而且需要知道平面上的几何图形
  • 小练习:

    1.说出下面方程的图形名称:

    在这里插入图片描述

    答案:
  • 双叶双曲面
  • 圆柱
  • 椭圆抛物面
  • 2.题目如下

    在这里插入图片描述

    如果想知道答案,推荐用千问辅助作答,那里思路更详细,也更通透

    叠甲

    本文为学习笔记,仅供参考,资源大多来源于b站的一高数,一位非常好的老师,如有不妥,请友善指出

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