Каноническое уравнение конуса в сферических координатах (4 видео)

Поверхности второго порядка. Конические поверхности.

Поверхность S называется конической поверхностью с вершиной в точке O, если для любой точки M₀

этой поверхности прямая, проходящая через M₀ и O, целиком принадлежит этой поверхности.

Функция F(x,y,z) называется однородной порядка m, если выполняется следующее:

Теорема (об уравнении конической поверхности).

Если в некоторой декартовой прямоугольной системе координат поверхность S задана

Если поверхность S задана функцией F(x,y,z), являющейся однородным алгебраическим многочленом

второго порядка, то S называется конической поверхностью второго порядка.

Каноническое уравнение конуса

второго порядка имеет вид:

Мнимая коническая поверхность.

где a > 0, b > 0, c > 0. Эта поверхность не имеет ни одной вещественной точки.

Содержание

Конусы: определение, сечения, построение
Плоские сечения конуса
Круговой конус
Каноническое уравнение конуса в сферических координатах
💥 Видео

Видео:Объем через тройной интеграл в сферической системе координатСкачать

Конусы: определение, сечения, построение

Конусом называется поверхность, определяемая в некоторой прямоугольной системе координат каноническим уравнением

где — положительные параметры, характеризующие конус, причем .

Начало координат называется центром конуса (рис.4.44,а).

Конус является конической фигурой, поскольку вместе с любой своей точкой уравнению (4.50) удовлетворяют также все точки при луча . Точка является вершиной конуса (4.50), а любой луч , принадлежащий конусу, является его образующей .

Видео:Сферические координатыСкачать

Плоские сечения конуса

Сечения конуса координатными плоскостями представляют собой пары пересекающихся прямых, удовлетворяющих в этих плоскостях уравнениям (при ) или (при ) соответственно.

Рассмотрим теперь сечение конуса плоскостями, параллельными плоскости . Подставляя , где — произвольная постоянная (параметр), в уравнение (4.50), получаем

При этому уравнению удовлетворяет одна вещественная точка — начало координат. При любом отличном от нуля значении параметра уравнение определяет эллипс с полуосями . Следовательно, сечение конуса плоскостью представляет с собой эллипс, центр которого лежит на оси аппликат, а вершины принадлежат координатным плоскостям и .

Таким образом, конус можно представить как поверхность, образованную эллипсами, центры которых лежат на оси аппликат, а вершины принадлежат координатным плоскостям и (см. рис.4.44,а).

Видео:Математика Без Ху!ни. Полярные координаты. Построение графика функции.Скачать

Круговой конус

При все сечения конуса плоскостями становятся окружностями. Такой конус является фигурой вращения и называется прямым круговым конусом . Он может быть получен в результате вращения, например, прямой (образующей) вокруг оси аппликат (рис.4.44,б).

1. Конус является линейчатой поверхностью, поскольку может быть получен при помощи перемещения прямой.

2. Конус, образованный асимптотами гипербол, получающихся при пересечении гиперболоида плоскостями, проходящими через ось , называется асимптотическим конусом этого гиперболоида. На рис.4.44,в изображен асимптотический конус для однополостного и двуполостного гиперболоидов.

3. Конус (4.50) может быть получен из прямого кругового конуса (у которого ) в результате двух сжатий (растяжений) к координатным плоскостям и .

4. Начало канонической системы координат является центром симметрии конуса, координатные оси — осями симметрии конуса, координатные плоскости — плоскостями симметрии конуса.

В самом деле, если точка принадлежит конусу, то точки с координатами при любом выборе знаков также принадлежат конусу, поскольку их координаты удовлетворяют уравнению (4.50).

5. Рассмотрим сечение прямого кругового конуса плоскостями, не проходящими через его вершину, например, плоскостями , где — произвольная постоянная (параметр) — угловой коэффициент прямой в плоскости . Заметим, что образующие рассматриваемого конуса в плоскости описываются уравнением с угловым коэффициентом . Подставляя в уравнение конуса, получаем

Это уравнение проекции на координатную плоскость линии пересечения плоскости с конусом. Вычисляем инварианты

taucdotDelta=k^2-2 . По таблице 3.2 определяем, что рассматриваемое сечение, которое пересекает все образующие прямого кругового конуса, является эллипсом. При 1″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADoAAAAVBAMAAADlb+D4AAAALVBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAACttl6nAAAADnRSTlMAwAFBgwIcMaGw61tx0C5PF/kAAADbSURBVCjPY2DAD45D6Sasss4MDI7CQFoUXYIdIstq+ByLbHifAkQv4yJMWeaF66CyehNgsiUJcGklOais3QGYLLMEXJoJJutXkCEONZlZwgBNlklKffYSmL3sjQZosi9LWF7DXRXWuAlFlvltA1sBws1svRuQZVlerkxA8hGbL4os46KsCQhZti5Uk/Um8AqchsmyobvK7oDWhGkwH000gpqhcE8JLHuugGflBlhoFMBC8t27dw4gWTYGhjSovRVIIakE0QsEoTBXBWDGLxiI4op9PLLuUHoSFjkA6I4yBZZKaW0AAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» /> имеем . По таблице 3.2 определяем, что рассматриваемое сечение, которое параллельно двум образующим кругового конуса, является гиперболой. При имеем . По таблице 3.2 определяем, что рассматриваемое сечение, которое параллельно одной образующей кругового конуса, является параболой. Поскольку при аффинных преобразованиях тип линий не изменяется, такой же вывод можно сделать для произвольного конуса (4.50):

– сечение конуса плоскостью, пересекающей все его образующие, является эллипсом (рис.4.45,а);

– сечение конуса плоскостью, параллельной двум его образующим, является гиперболой (рис.4.45,б);

– сечение конуса плоскостью, параллельной одной его образующей, является параболой (рис.4.45,в).

6. Конические сечения могут быть взяты в качестве эквивалентных определений эллипса, гиперболы, параболы.

Видео:§2 Различные уравнения окружностиСкачать

Каноническое уравнение конуса в сферических координатах

Из уравнения следует, что |z| > c. Пересечениями поверхности с плоскостями z = h, |h| > c, являются эллипсы: . полуоси которых увеличиваются с ростом |h|. Сечением плоскостью x = 0 является гипербола: . фокусы которой лежат на оси OZ. При . двуполостный гиперболоид можно получить, вращая эту гиперболу вокруг оси OZ.

В сечениях плоскостями z = h получаются эллипсы, полуоси которых увеличиваются с ростом |h|. Только при h = 0 получается одна точка — вершина конуса. Если a = b, то эти эллипсы являются окружностями и конус называется прямым круговым. Пересекая конус плоскостью x = 0, получим две пересекающиеся прямые . Другие сечения конической поверхности мы рассматривали в пункте 8.1.4, изучая кривые 2-го порядка. Каноническое уравнение:

Замечание. Обратим внимание: однополостный, двуполостный гиперболоиды и конус задаются похожими уравнениями. Можно рассмотреть более общее уравнение, включающее все 3 возможности:

Проследим, как меняется поверхность при изменении h. При h > 0 это однополостный гиперболоид. Уменьшая h, мы уменьшаем размеры наименьшего эллипса в его сечении. Гиперболы приближаются к своим асимптотам, их вершины сближаются. При h = 0 гиперболоид превращается в