3.1 二次曲面及其分类

解析几何



周维祺

引入:R3\mathbb R^3中的曲面

R3\mathbb R^3中曲面的方程

  • 标准方程:F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0

  • 参数方程:{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\begin{cases}x=x(u,v) \\ y=y(u,v) \\ z=z(u,v) \end{cases}

  • 球坐标和柱坐标下的方程

练习

(1,1,1)(1,1,1)的球坐标和柱坐标

二次曲面的分类

椭球面

x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1

单叶双曲面

x2a2+y2b2z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1

双叶双曲面

x2a2+y2b2z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=-1

椭圆和双曲抛物面

椭圆抛物面:x2a2+y2b2=z\text{椭圆抛物面:}\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=z

双曲抛物面:x2a2y2b2=z\text{双曲抛物面:}\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=z

二次曲面的方程可以借助不变量、通过坐标变换转化上述标准形式

几种特殊的曲面

柱面

平行于给定方向且与一条定曲线相交的一族直线
例:圆柱面

锥面

过定点且与一条定曲线相交的一族直线
例:圆锥面

旋转曲面

绕定直线旋转的一条曲线
例:圆锥面

绕坐标轴旋转的公式

  • 设有xyxy平面中的一条曲线F(x,y)=0F(x,y)=0

  • xx轴旋转: F(x,±y2+z2)=0F(x,\pm\sqrt{y^2+z^2})=0

  • yy轴旋转: F(±x2+z2,y)=0F(\pm\sqrt{x^2+z^2},y)=0

练习

求双曲线x2y2=1x^2-y^2=1分别绕xx轴和yy轴旋转所形成的曲面

小结

  • 坐标转换的计算

  • 三种二次曲面(椭球、双曲、抛物)及其标准方程

  • 几种特殊曲面(柱面、锥面、旋转)及其定义

  • 绕坐标轴旋转形成的曲面