Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Поверхности второго порядка: их виды, уравнения, примеры
Содержание
  1. Общее уравнение поверхности второго порядка и инварианты поворота и переноса декартовой прямоугольной системы координат
  2. Виды поверхностей второго порядка и приведение общего уравнения поверхности второго порядка к каноническому
  3. Эллипсоид
  4. Мнимый эллипсоид
  5. Мнимый конус
  6. Однополостный гиперболоид
  7. Двуполостный гиперболоид
  8. Конус
  9. Эллиптический параболоид
  10. Гиперболический параболоид
  11. Эллиптический цилиндр
  12. Мнимый эллиптический цилиндр
  13. Мнимые пересекающиеся плоскости
  14. Гиперболический цилиндр
  15. Пересекающиеся плоскости
  16. Параболический цилиндр
  17. Параллельные плоскости
  18. Мнимые параллельные плоскости
  19. Совпадающие плоскости
  20. Решение примеров на определение вида поверхности второго порядка
  21. Определить вид поверхности второго порядка самостоятельно, а затем посмотреть решение
  22. Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение
  23. Поверхности второго порядка
  24. 🎬 Видео

Видео:Написать канонические и параметрические уравнения прямой в пространствеСкачать

Написать канонические и параметрические уравнения прямой в пространстве

Общее уравнение поверхности второго порядка и инварианты поворота и переноса декартовой прямоугольной системы координат

Общее уравнение поверхности второго порядка имеет вид

Для определения вида поверхности второго порядка по общему уравнению и приведения общего уравнения к каноническому, нам понадобятся выражения, которые называются инвариантами. Инварианты — это определители и суммы определителей, составленные из коэффициентов общего уравнения, которые не меняются при переносе и повороте системы координат. Эти инварианты следующие:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Следующие два выражения, называемые семиинвариантами, являются инвариантами поворота декартовой прямоугольной системы координат:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

В случае, если I 3 = 0 , K 4 = 0 , семиинвариант K 3 будет также и инвариантом переноса; в случае же I 3 = 0 , K 4 = 0 , I 2 = 0 , K 3 = 0 семиинвариант K 2 = 0 будет также и инвариантом переноса.

Видео:Видеоурок "Канонические уравнения прямой"Скачать

Видеоурок "Канонические уравнения прямой"

Виды поверхностей второго порядка и приведение общего уравнения поверхности второго порядка к каноническому

I. Если I 3 ≠ 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка при помощи поворота и переноса прямоугольной системы координат может быть приведено к следующему виду:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

где λ 1 , λ 2 , λ 3 — корни характеристического уравнения

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

В зависимости от того, какие знаки у чисел λ 1 , λ 2 , λ 3 и K 4 /I 3 , определяется вид поверхности второго порядка.

Эллипсоид

Если числа λ 1 λ 2 , λ 3 одного знака, а K 4 /I 3 имеет знак им противоположный, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет эллипсоид.

После решения характеристического уравнения общее уравнение можно переписать в следующем виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Тогда полуоси эллипсоида будут

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Поэтому каноническое уравнение эллипсоида имеет вид

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Мнимый эллипсоид

Если числа λ 1 λ 2 , λ 3 и K 4 /I 3 одного знака, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет мнимый эллипсоид.

После решения характеристического уравнения общее уравнение можно привести к каноническому уравнению мнимого эллипсоида:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Мнимый конус

Если числа λ 1 λ 2 , λ 3 , а K 4 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет мнимый конус.

После решения характеристического уравнения общее уравнение можно привести к каноническому уравнению мнимого конуса:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Однополостный гиперболоид

Если два корня характеристического уравнения имеют один знак, а третий корень и K 4 /I 3 имеют знак, им противоположный, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет однополостный гиперболоид.

Обозначая в этом случае через λ 1 и λ 2 корни характеристического уравнения, имеющие один знак, общее уравнение можно переписать в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

то каноническое уравнение однополостного гиперболоида будет иметь вид

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Двуполостный гиперболоид

Если два корня характеристического уравнения и K 4 /I 3 имеют один и тот же знак, а третий корень характеристического уравнения им противоположный, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет двуполостный гиперболоид.

Обозначая в этом случае через λ 1 и λ 2 корни, имеющие один знак, общее уравнение можно переписать в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Последняя запись и есть каноническое уравнение двуполостного гиперболоида.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Конус

Если два корня характеристического уравнения имеют один знак, третий корень имеет знак, им противоположный, а K 4 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет конус.

Считая, что одинаковый знак имеют корни λ 1 и λ 2 , общее уравнение можно переписать в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

известном как каноническое уравнение конуса.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

II. Если I 3 = 0 , а K 4 ≠ 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка при помощи поворота и переноса прямоугольной системы координат может быть приведено к следующему виду:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

где λ 1 и λ 2 — отличные от нуля корни характеристического уравнения.

Эллиптический параболоид

Если λ 1 и λ 2 имеют один знак, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет эллиптический параболоид.

Общее уравнение можно переписать в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Выбирая перед корнем знак, противоположный знаку λ 1 и λ 2 , и полагая

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

получим каноническое уравнение эллиптического параболоида:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Гиперболический параболоид

Если λ 1 и λ 2 имеют разные знаки, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет гиперболический параболоид.

Обозначая через λ 1 положительный корень, а через λ 2 — отрицательный и беря перед корнем Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениезнак минус, переписываем уравнение в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

получим каноническое уравнение гиперболического параболоида:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

III. Если I 3 = 0 , а K 4 = 0 , I 2 ≠ 0 то общее уравнение поверхности второго порядка при помощи поворота и переноса прямоугольной системы координат может быть приведено к следующему виду:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

где λ 1 и λ 2 — отличные от нуля корни характеристического уравнения.

Эллиптический цилиндр

Если λ 1 и λ 2 одного знака, а K 3 /I 2 имеет знак, им противоположный, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет эллиптический цилиндр.

Переписываем уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

получим каноническое уравнение эллиптического цилиндра:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Мнимый эллиптический цилиндр

Если λ 1 , λ 2 и K 3 /I 2 одного знака, то общее уравнение поверхности второго порядка определяет мнимый эллиптический цилиндр.

Переписываем уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Последняя запись — каноническое уравнение мнимого эллиптического цилиндра.

Мнимые пересекающиеся плоскости

Если λ 1 и λ 2 имеют один знак, а K 3 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет две мнимые пересекающиеся плоскости.

Переписываем уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

получим каноническое уравнение мнимых пересекающихся плоскостей:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Гиперболический цилиндр

Если λ 1 и λ 2 имеют разные знаки, а K 3 ≠ 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет гиперболический цилиндр.

Переписываем уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Таким образом, каноническое уравнение гиперболического цилиндра:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пересекающиеся плоскости

Если λ 1 и λ 2 имеют разные знаки, а K 3 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет две пересекающиеся плоскости.

Переписываем уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Таким образом, пересекающихся плоскостей:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

IV. Если I 3 = 0 , K 4 = 0 , I 2 = 0 , K 3 ≠ 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка при помощи поворота и переноса прямоугольной системы координат может быть приведено к следующему виду:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

где λ 1 = I 1 — отличный от нуля корень характеристического уравнения.

Параболический цилиндр

Уравнение, получившееся после решения характеристического уравнения, можно переписать в виде:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Это уравнение параболического цилиндра, в каноническом виде оно записывается так:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

V. Если I 3 = 0 , K 4 = 0 , I 2 = 0 , K 3 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка при помощи поворота и переноса прямоугольной системы координат может быть приведено к следующему виду:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Параллельные плоскости

Если K 2 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет две параллельные плоскости.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

перепишем его в виде

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Мнимые параллельные плоскости

Если K 2 > 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет две мнимые параллельные плоскости.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

перепишем его в виде

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Совпадающие плоскости

Если K 2 = 0 , то общее уравнение поверхности второго порядка определяет две совпадающие плоскости:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Видео:Математика без Ху!ни. Уравнение плоскости.Скачать

Математика без Ху!ни. Уравнение плоскости.

Решение примеров на определение вида поверхности второго порядка

Пример 1. Определить вид и составить каноническое уравнение поверхности, заданной относительно прямоугольной системы координат общим уравнением

Решение. Найдём I 3 :

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(как вычислить определитель).

I 1 = 1 + 5 + 1 = 7 ,

Следовательно, данная поверхность — однополостный гиперболоид.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Составляем и решаем характеристическое уравнение:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение;

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пример 2. Определить вид и составить каноническое уравнение поверхности, заданной относительно прямоугольной системы координат общим уравнением

Решение. Найдём I 3 :

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Следовательно, общее уравнение определяет эллиптический параболоид.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

I 1 = 2 + 2 + 3 = 7 .

Решаем характеристическое уравнение:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение, Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пример 3. Определить вид и составить каноническое уравнение поверхности, заданной относительно прямоугольной системы координат общим уравнением

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение,

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

I 1 = 5 + 2 + 5 = 12 .

Так как I 3 = К 4 = 0 , I 2 > 0 , I 1 K 3 , то данное общее уравнение определяет эллиптический цилиндр.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение.

Определить вид поверхности второго порядка самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 4. Определить вид и составить каноническое уравнение поверхности, заданной относительно прямоугольной системы координат общим уравнением

Видео:Математика без Ху!ни. Взаимное расположение прямой и плоскости.Скачать

Математика без Ху!ни.  Взаимное расположение прямой и плоскости.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

С помощью векторов мы ввели понятие пространства и его размерности, в частности трехмерного. Рассмотрим в нем поверхности, которые «похожи» на поверхности, образованные вращением кривой второго порядка вокруг ее оси симметрии. Например, сфера может быть получена вращением окружности вокруг диаметра. Поверхность, описываемая некоторой линией, вращающейся вокруг неподвижной прямой d, называется поверхностью вращения с осью вращения d. Наряду с такими поверхностями мы встретимся и с более сложными случаями.

Пусть в пространстве задана прямоугольная декартова система координат.

Поверхность второго порядка – геометрическое место точек, декартовы прямоугольные координаты которых, удовлетворяют уравнению вида

в котором хотя бы один из коэффициентов Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение отличен от нуля. Уравнение (2.48) называется общим уравнением поверхности второго порядка.

Уравнение (2.48) может и не определять действительного геометрического образа, но для сохранения общности в таких случаях говорят, что оно определяет мнимую поверхность второго порядка. В зависимости от значений коэффициентов общего уравнения (2.48) оно может быть преобразовано с помощью параллельного переноса и поворота системы координат к одному из канонических видов, каждому из которых соответствует определённый класс поверхностей второго порядка. Среди них выделяют пять основных классов поверхностей: эллипсоиды, гиперболоиды, параболоиды, конусы и цилиндры. Для каждой из этих поверхностей существует декартова прямоугольная система координат, в которой поверхность задается простым уравнением, называемым каноническим уравнением.

Перечисленные поверхности второго порядка относятся к так называемым нераспадающимся поверхностям второго порядка. Можно говорить о случаях вырождения – распадающихся поверхностях второго порядка, к которым относятся: пары пересекающихся плоскостей, пары мнимых пересекающихся плоскостей, пары параллельных плоскостей, пары мнимых параллельных плоскостей, пары совпадающих плоскостей.

Наша цель – указать канонические уравнения для поверхностей второго порядка и показать, как выглядят эти поверхности.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением

называется эллипсоидом (рис. 2.22) .

1. Эллипсоид – ограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение .

2. Эллипсоид обладает

· центральной симметрией относительно начала координат,

· осевой симметрией относительно координатных осей,

· плоскостной симметрией относительно начала координат.

3. В сечении эллипсоида плоскостью, перпендикулярной любой из координатных осей, получается эллипс (см. рис. 2.22).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеТак же, как для эллипса, точки пересечения эллипсоида с координатными осями называются вершинами эллипсоида, центр симметрии – центром эллипсоида. Числа а, b , с называются полуосями. Если полуоси попарно различны, то эллипсоид называется трехосным.

Если две полуоси равны друг другу, то эллипсоид называется эллипсоидом вращения. Эллипсоид вращения может быть получен вращением эллипса вокруг одной из осей.

Примечание. Сфера является частным случаем эллипсоида при а= b . Тогда все равные полуоси обозначают R и уравнение (2.49) после умножения на R 2 принимает вид Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение .

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением

называется эллиптическим параболоидом (рис. 2.23) .

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

1. Эллиптический параболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что z ≥ 0 и принимает сколь угодно большие значения.

2. Эллиптический параболоид обладает

· осевой симметрией относительно оси 0z ,

· плоскостной симметрией относительно координатных осей 0xz и 0yz .

3. В сечении эллиптического параболоида плоскостью, ортогональной оси 0z , получается эллипс, а плоскостями, ортогональными осям 0x и 0y –парабола. (см. рис. 2.23).

Можно получить эллиптический параболоид симметричный относительно оси 0х или 0у, для чего нужно в уравнении (2.50) поменять между собой переменные х и z или у и z соответственно.

Если полуоси равны a = b , то параболоид называется параболоидом вращения и может быть получен вращением параболы вокруг ее оси симметрии. При этом в сечении параболоида вращения плоскостью, перпендикулярной оси 0z , получается окружность.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением

называется гиперболическим параболоидом (рис . 2.24).

Свойства гиперболического параболоида.

1. Гиперболический параболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что z – любое число.

2. Гиперболический параболоид обладает

· осевой симметрией относительно оси 0z ,

· плоскостной симметрией относительно координатных плоскостей 0xz и 0yz .

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

4. Гиперболический параболоид может быть получен поступательным перемещением в пространстве параболы так, что ее вершина перемещается вдоль другой параболы, ось которой параллельна оси первой параболы, а ветви направлены противоположно, причем их плоскости взаимно перпендикулярны.

5. Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением

называется однополостным гиперболоидом (рис. 2.25) .

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Свойства однополостного гиперболоида.

1. Однополостный гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что z – любое число.

2. Однополостный гиперболоид обладает

· центральной симметрией относительно начала координат,

· осевой симметрией относительно всех координатных осей,

· плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

3. В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат 0z , получается эллипс, а плоскостями, ортогональными осям 0x и 0y, – гипербола (см. рис. 2.25).

Если в уравнении (2.52) a = b , то сечения однополостного гиперболоида плоскостями, параллельными плоскости х0у, являются окружностями. В этом случае поверхность называется однополостным гиперболоидом вращения.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением

называется двуполостным гиперболоидом (рис. 2.26) .

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

1. Двуполостный гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что | z | c и неограничен сверху.

2. Двуполостный гиперболоид обладает

· центральной симметрией относительно начала координат,

· осевой симметрией относительно всех координатных осей,

· плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

3. В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат 0z , при | z |> c получается эллипс, при | z |= c – точка, а в сечении плоскостями, перпендику­лярными осям 0x и 0y , – гипербола (см. рис. 2.26).

Если в уравнении (2.53) a = b , то сечения двуполостного гиперболоида плоскостями, параллельными плоскости х0у, являются окружностями. В этом случае поверхность называется двуполостным гиперболоидом вращения.

Примечание. Если уравнение поверхности в прямоугольной системе координат имеет вид: F ( x 2 + y 2 ; z )=0, то эта поверхность – поверхность вращения с осью вращения 0z. Аналогично: F ( x 2 + z 2 ; y )=0 – поверхность вращения с осью вращения 0у, F ( z 2 + y 2 ; x )=0 – с осью вращения 0х

С учетом данного примечания могут быть записаны уравнения для рассмотренных выше поверхностей вращения, если осью вращения являются оси 0х или 0у.

Цилиндрическая поверхность образуется движением прямой линии, скользящей по некоторой неподвижной замкнутой или незамкнутой кривой и остающейся параллельной своему исходному положению. Множество прямолинейных образующих представляет собой непрерывный каркас цилиндрической поверхности. Через каждую точку поверхности проходит одна прямолинейная образующая. Неподвижная кривая, по которой скользит образующая, называется направляющей. Если направляющая линия является кривой второго порядка, то и цилиндрическая поверхность – второго порядка.

Если уравнение поверхности не содержит в явном виде какой–либо переменной, то это уравнение определяет в пространстве цилиндрическую поверхность с образующими, параллельными оси отсутствующего переменного и направляющей, которая в плоскости двух других переменных имеет то же самое уравнение.

Достаточно нарисовать на плоскости х0у направляющую, уравнение которой на этой плоскости совпадает с уравнением самой поверхности, и затем через точки направляющей провести образующие параллельно оси 0z. Для наглядности следует построить также одно–два сечения плоскостями, параллельными плоскости х0у. В каждом таком сечении получим такую же кривую, как и исходная направляющая. Аналогично поступают, рассматривая направляющую в плоскости х0z или у0z.

Цилиндрическая поверхность является бесконечной в направлении своих образующих. Часть замкнутой цилиндрической поверхности, заключенная между двумя плоскими параллельными сечениями, называется цилиндром, а фигуры сечения – его основаниями. Сечение цилиндрической поверхности плоскостью, перпендикулярной ее образующим, называется нормальным. В зависимости от формы нормального сечения цилиндры бывают:

1) эллиптические – нормальное сечение представляет собой эллипс (рис. 2.27а), каноническое уравнение

2) круговые – нормальное сечение круг, при a = b = r уравнение

3) гиперболические – нормальное сечение гипербола (рис. 2.27б), каноническое уравнение

4) параболические – нормальное сечение парабола (рис. 2.27в), каноническое уравнение

5) общего вида – нормальное сечение кривая случайного вида.

Если за основание цилиндра принимается его нормальное сечение, цилиндр называют прямым (рис. 2.27). Если за основание цилиндра принимается одно из косых сечений, цилиндр называют наклонным. Например, наклонные сечения прямого кругового цилиндра являются эллипсами. Наклонные сечения прямого эллиптического цилиндра в общем случае – эллипсы. Однако его всегда можно пересечь плоскостью, наклонной к его образующим, таким образом, что в сечении получится круг.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Конической поверхностью называется поверхность, производимая движением прямой, перемещающейся в пространстве так, что она при этом постоянно проходит через неподвижную точку и пересекает данную линию. Данная прямая называется образующей, линия – направляющей, а точка – вершиной конической поверхности (рис. 2.28).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Конусом называется тело, ограниченное частью конической поверхности, расположенной по одну сторону от вершины, и плоскостью, пересекающей все образующие по ту же сторону от вершины. Часть конической поверхности, ограниченная этой плоскостью, называется боковой поверхностью, а часть плоскости, отсекаемая боковой поверхностью, – основанием конуса. Перпендикуляр, опущенный из вершины на плоскость основания, называется высотой конуса.

Конус называется прямым круговым, если его основание есть круг, а высота проходит через центр основания. Такой конус можно рассматривать как тело, происходящее от вращения прямоугольного треугольника, вокруг катета как оси. При этом гипотенуза описывает боковую поверхность, а катет – основание конуса.

В курсе геометрии общеобразовательной школы рассматривается только прямой круговой конус, который для краткости называется просто конусом.

Если вершина конуса расположена в начале координат, направляющая кривая — эллипс с полуосями а и b, плоскость которого находится на расстоянии с от начала координат, то уравнение эллиптического конуса имеет вид:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение ( a >0, b >0, c >0). (2.58)

При а = b конус становится круговым.

Примечание. По аналогии с коническими сечениями (аналогично теореме 2.1) существуют и вырожденные поверхности второго порядка. Так, уравнением второго порядка x 2 = 0 описывается пара совпадающих плоскостей, уравнением x 2 = 1 – пара параллельных плоскостей, уравнением x 2 – y 2 = 0 – пара пересекающихся плоскостей. Уравнение x 2 + y 2 + z 2 = 0 описывает точку с координатами (0;0;0). Существуют и другие вырожденные случаи. Полная теория поверхностей второго порядка рассматривается в курсе аналитической геометрии Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Видео:Математика без Ху!ни. Кривые второго порядка. Эллипс.Скачать

Математика без Ху!ни. Кривые второго порядка. Эллипс.

Поверхности второго порядка

Поверхностью второго порядка называется поверхность S, общее уравнение которой в декартовой прямоугольной системе координат имеет вид:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(15.22)

где коэффициенты при одночленах второй степени одновременно не равны нулю.

Существует девять типов невырожденных поверхностей, уравнения которых с помощью преобразования координат могут быть приведены к одному из следующих видов. Эти уравнения определяют тип поверхности и называются каноническими уравнениями.

1. Эллипсоид: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.1).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

2. Конус второго порядка: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.2).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

3. Гиперболоиды

1) однополостный: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.3);2) двуполостный: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.4).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Рис. 15.3 Рис. 15.4

4. Параболоиды

1) эллиптический: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.5);2) гиперболический: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис.15.6).
Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Рис. 15.5 Рис. 15.6

5. Цилиндры

1) эллиптический: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.7);2) гиперболический: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.8);
Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Рис. 15.7 Рис. 15.8

3) параболический: Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(рис. 15.9).

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Основным методом исследования формы поверхности является метод параллельных сечений, который состоит в следующем. Поверхность пересекается координатными плоскостями и им параллельными, а затем на основании вида полученных в сечениях линий делается вывод о типе поверхности. Таким образом можно изучать основные геометрические свойства невырожденных поверхностей второго порядка на основе их канонических уравнений.

При этом, когда в общем уравнении поверхности коэффициенты Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеприведение к каноническому виду осуществляется с помощью метода выделения полных квадратов.

В определенных случаях уравнение (15.22) поверхности может быть приведено к уравнениям, задающим, так называемые, вырожденные поверхности. Приведем примеры таких случаев:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– пустое множество точек (мнимый эллипсоид);

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– точка (0, 0, 0);

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– пустое множество точек (мнимый эллиптический цилиндр);

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– прямая (ось Oz);

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– пара пересекающихся плоскостей;

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– пара параллельных плоскостей;

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– пустое множество точек;

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение– плоскость (пара совпадающих плоскостей).

Пример 1. Привести уравнение к каноническому виду и определить тип поверхности, которую оно задает:

1) Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

2) Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

3) Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

4) Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Решение. 1) Воспользуемся методом выделения полных квадратов.

Преобразуем левую часть уравнения:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Значит, заданное уравнение равносильно уравнению

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеили

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Имеем уравнение однополостного гиперболоида, центр которого находится в точке (–1, 1, 2). Его ось симметрии – прямая, параллельная оси Oz и проходящая через точку (–1, 1, 2).

2) Поскольку Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

то заданное уравнение равносильно уравнению

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеили Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениечто приводит окончательно к уравнению гиперболического параболоида Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениесмещенного в точку (–1, 0, 1).

3) Выделяем полные квадраты в выражении, стоящем в левой части уравнения:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Поэтому заданное уравнение принимает вид:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

или (после деления на 36)

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Это уравнение эллипсоида с центром в точке (3, – 1, 2).

4. Методом выделения полных квадратов уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеприводится к уравнению

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениет. е.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Почленное деление на 36 дает:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Это уравнение эллиптического цилиндра, смещенного в точку
(–2, 5, 0).

Пример 2. Исследовать поверхность методом сечений и построить ее:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Решение. Для исследования геометрических свойств и формы поверхности используем метод сечений.

Определим сечение поверхности плоскостями Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениегде Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениепараллельными координатной плоскости Oxy:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Очевидно, что это кривые, проекции которых на ось Oxy задаются уравнением

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение(15.23)

Уравнение (15.23) при Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениене имеет решений относительно Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеЭто означает, что соответствующее сечение есть пустое множество точек, а значит, рассматриваемая поверхность целиком расположена ниже плоскости Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеПри Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеуравнение (15.23) определяет эллипс

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

с полуосями Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеи Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениевырождающийся в точку (0, 0, 1) при Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеЗаметим, что все эллипсы, которые получаются в сечениях поверхности плоскостями Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеподобны между собой, причем с уменьшением h их полуоси неограниченно монотонно возрастают.

Дальнейшее уточнение формы можно получить, рассматривая сечения координатными плоскостями Oxz и Oyz:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеи Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

В первом случае имеем кривую Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениет. е. параболу с параметром Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениевершиной в точке Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеи ветвями, направленными в отрицательную сторону оси Oz. Во втором – параболу Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениес параметром Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениевершиной в точке Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеи аналогичным направлением ветвей.

Выполненное исследование позволяет построить заданную поверхность (рис. 15.10). Это эллиптический параболоид Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениес вершиной в точке (0, 0, 1), направленный в сторону убывания значений z с осью симметрии Oz.

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Пример 3. Построить тело, ограниченное поверхностями

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеПара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

Решение. Уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениезадает плоскость. Перейдя к уравнению плоскости «в отрезках», получим:

Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнение

т. е. плоскость пересекает координатные оси в точках (3, 0, 0), (0, 3, 0) и (0, 0, 3) соответственно.

Уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениезадает круговой цилиндр, осью которого служит Oz. Уравнение Пара пересекающихся плоскостей каноническое уравнениеопределяет координатную плоскость Oxy.

Сделаем рисунок тела (рис. 15.11, 15.12), ограниченного заданными поверхностями.

🎬 Видео

13. Общие уравнения прямой в пространстве / приведение к каноническому видуСкачать

13. Общие уравнения прямой в пространстве / приведение к каноническому виду

Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.Скачать

Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.

Аналитическая геометрия, 5 урок, Уравнение плоскостиСкачать

Аналитическая геометрия, 5 урок, Уравнение плоскости

Семинар №9 "Приведение уравнения второго порядка к каноническому виду"Скачать

Семинар №9 "Приведение уравнения второго порядка к каноническому виду"

10. Параллельность и перпендикулярность плоскостей Решение задачСкачать

10. Параллельность и перпендикулярность плоскостей Решение задач

Каноническое уравнение прямой в пространстве. 11 класс.Скачать

Каноническое уравнение прямой в пространстве. 11 класс.

Аналитическая геометрия, 6 урок, Уравнение прямойСкачать

Аналитическая геометрия, 6 урок, Уравнение прямой

17. Показать что прямые пересекаются и составить уравнение плоскости в которой они расположеныСкачать

17. Показать что прямые пересекаются и составить уравнение плоскости в которой они расположены

Каноническое уравнение прямой в пространстве Преход от общего уравненияСкачать

Каноническое уравнение прямой в пространстве  Преход от общего уравнения

Видеоурок "Параметрические уравнения прямой"Скачать

Видеоурок "Параметрические уравнения прямой"

Лекция 23. Виды уравнений прямой на плоскости.Скачать

Лекция 23. Виды уравнений прямой на плоскости.

Найти точку пересечения прямой и плоскостиСкачать

Найти точку пересечения прямой и плоскости

Аналитическая геометрия, 8 урок, Поверхности второго порядкаСкачать

Аналитическая геометрия, 8 урок, Поверхности второго порядка

Лекция 25. Виды уравнений плоскости в пространстве.Скачать

Лекция 25. Виды уравнений плоскости в пространстве.
Поделиться или сохранить к себе: