4.3 旋转曲面

解析几何



周维祺

旋转曲面的概念

一条曲线绕一条定直线旋转一周所得的曲面

相关概念

  • 一条曲线绕一条定直线旋转一周所得的曲面

  • 上文中的曲线称为该曲面的母线

  • 上文中的直线称为该曲面的(旋转)轴

旋转曲面的方程

  • 母线方程:{F(x0,y0,z0)=0G(x0,y0,z0)=0\begin{cases}F(x_0,y_0,z_0)=0 \\ G(x_0,y_0,z_0)=0\end{cases};

  • 轴过点(a0,b0,c0)(a_0,b_0,c_0),方向(a,b,c)(a,b,c)

  • 曲线上一点M(x0,y0,z0)M(x_0,y_0,z_0)的运动轨迹所在平面与轴垂直

  • 圆上每一点到轴上一个定点(a0,b0,c0)(a_0,b_0,c_0)的距离都相等

旋转曲面的方程

  • 联立,得:{F(x0,y0,z0)=0G(x0,y0,z0)=0r2=(x0a0)2+(y0b0)2+(z0c0)2(xa0)2+(yb0)2+(zc0)2=r2a(xx0)+b(yy0)+c(zz0)=0\begin{cases}F(x_0,y_0,z_0)=0 \\ G(x_0,y_0,z_0)=0 \\ r^2=(x_0-a_0)^2+(y_0-b_0)^2+(z_0-c_0)^2 \\ (x-a_0)^2+(y-b_0)^2+(z-c_0)^2=r^2 \\ a(x-x_0)+b(y-y_0)+c(z-z_0)=0 \end{cases};

  • 消去x0,y0,z0x_0,y_0,z_0得关于x,y,zx,y,z的方程即旋转曲面的方程

例子

  • 过点(0,0,1)(0,0,1),方向为(2,1,0)(2,1,0)的直线,绕直线x=y=zx=y=z旋转

  • (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0)是母线上一点,则(x0,y0,z0)=(2t,t,1)(x_0,y_0,z_0)=(2t,t,1)

  • 轴方向:(1,1,1)(1,1,1);轴上一点:(0,0,0)(0,0,0)

  • {(xx0)+(yy0)+(zz0)=0x2+y2+z2=x02+y02+z02\begin{cases}(x-x_0)+(y-y_0)+(z-z_0)=0 \\ x^2+y^2+z^2=x_0^2+y_0^2+z_0^2 \end{cases}

例子

  • {(x0,y0,z0)=(2t,t,1)(xx0)+(yy0)+(zz0)=0x2+y2+z2=x02+y02+z02\begin{cases} (x_0,y_0,z_0)=(2t,t,1) \\ (x-x_0)+(y-y_0)+(z-z_0)=0 \\ x^2+y^2+z^2=x_0^2+y_0^2+z_0^2 \end{cases}

  • {x+y+z1=3tx2+y2+z2=5t2+1\begin{cases} x+y+z-1=3t \\ x^2+y^2+z^2=5t^2+1 \end{cases}

  • x2+y2+z2=59(x+y+z1)2+1x^2+y^2+z^2=\frac{5}{9}(x+y+z-1)^2+1

练习

{(yb)2+z2=a2x=0\begin{cases} (y-b)^2+z^2=a^2 \\ x=0 \end{cases}zz轴旋转所得的曲面

解答

  • (0,y0,z0)(0,y_0,z_0)是母线上一点

  • 轴方向:(0,0,1)(0,0,1);轴上一点:(0,0,0)(0,0,0)

  • {x2+y2+z2=y02+z020(x0)+0(yy0)+1(zz0)=0\begin{cases} x^2+y^2+z^2=y_0^2+z_0^2 \\ 0\cdot(x-0)+0\cdot(y-y_0)+1\cdot(z-z_0)=0 \end{cases}

  • z=z0,z=z_0,\quad y0=±x2+y2y_0=\pm\sqrt{x^2+y^2}, 代入(y0b)2+z02=a2(y_0-b)^2+z_0^2=a^2

坐标平面上的曲线绕坐标轴旋转

  • {F(x,y)=0z=0\begin{cases} F(x,y)=0 \\ z=0 \end{cases}xx轴:F(x,±y2+z2)=0F(x,\pm\sqrt{y^2+z^2})=0;

  • {F(x,y)=0z=0\begin{cases} F(x,y)=0 \\ z=0 \end{cases}yy轴:F(±x2+z2,y)=0F(\pm\sqrt{x^2+z^2},y)=0;

  • zz轴:仍在xyxy平面上

坐标平面上的曲线绕坐标轴旋转

  • {F(y,z)=0x=0\begin{cases} F(y,z)=0 \\ x=0 \end{cases}yy轴:F(y,±x2+z2)=0F(y,\pm\sqrt{x^2+z^2})=0;

  • {F(y,z)=0x=0\begin{cases} F(y,z)=0 \\ x=0 \end{cases}zz轴:F(±x2+y2,z)=0F(\pm\sqrt{x^2+y^2},z)=0;

  • xx轴:仍在yzyz平面上

坐标平面上的曲线绕坐标轴旋转

  • {F(x,z)=0y=0\begin{cases} F(x,z)=0 \\ y=0 \end{cases}xx轴:F(x,±y2+z2)=0F(x,\pm\sqrt{y^2+z^2})=0;

  • {F(x,z)=0y=0\begin{cases} F(x,z)=0 \\ y=0 \end{cases}zz轴:F(±x2+y2,z)=0F(\pm\sqrt{x^2+y^2},z)=0;

  • yy轴:仍在xzxz平面上

坐标平面上的曲线绕坐标轴旋转

保留旋转轴坐标,用±其它两坐标平方和\pm\sqrt{其它两坐标平方和}代替另一坐标

练习

{b2x2+a2y2=a2b2z=0\begin{cases} b^2x^2+a^2y^2=a^2b^2 \\ z=0 \end{cases} 分别绕xx轴和yy轴旋转所得的曲面方程

小结

  • 旋转曲面的定义

  • 母线和轴的概念

  • 旋转曲面方程的计算

  • 坐标平面上的曲线绕坐标轴旋转所得的方程