第七节 空间曲线及其方程
7-7空间曲线及其方程
y
.
x
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2、球坐标系
设 M(x, y,z) 为空间内一点，则点M 可用
一个三元有序数组( r,,) 来确定，其中r 为原 点O 与点M 间的距离， 为从正z 轴来看自x
轴按逆时针方向转到向有线段 ON 的角，这里
N 为点M 在 xoy面上的投影， 为有向线段
z
y y
N
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柱面坐标的坐标面
动点M(ρ, , z)
ρ =常数： 柱面S
z =常数：平面
S
z
zρ
M
0 y
x
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柱面坐标的坐标面
动点M(r, , z)
ρ =常数： 柱面S
z =常数：平面 =常数: 半平面P
S
z
zρ
M
P
0
y 0
| x| 3; 2
（3）同理在 yoz面上的投影也为线段.
z
1 2,
x 0
| y| 3. 2
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例5 求抛物面 y2 z2 x与平面 x 2 y z 0的截线
在三个坐标面上的投影曲线方程.
解
截线方程为
y2z2 x
zz(t)
0t 2
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例：
x 1 求直线: y t
z 2t
绕 z 轴旋转，所得旋转曲面的方程为：
x 1 t2 cos
y
1 t2 sin
z 2t
消去参数得旋转曲面的直角坐标方程为：
第七节常见曲面的方程及图形
第七节常见曲⾯的⽅程及图形第七节常见曲⾯的⽅程及图形Equation and Graph of Surface教学⽬的: 了解常见的空间曲线的标准⽅程并知道它们的图像.课题: 曲⾯及其⽅程;常见的曲⾯⽅程及其图形.教学重点: 空间曲⾯的图形及其⽅程教学难点: 常见空间曲线的图形及⽅程教学⽅法: 精讲常见曲⾯的⽅程及图形教学内容:⼀、曲⾯及其⽅程空间任⼀曲⾯都可以看作点的集合.在空间直⾓坐标系中,如果曲⾯S 上的任⼀点(,,)M x y z 的坐标满⾜三元⽅程(,,)0F x y z =,不在曲⾯上的点的坐标都不满⾜该⽅程,那么就称该⽅程是曲⾯S 的⽅程,⽽曲⾯S 是该⽅程的图形或轨迹.【例1】⼀平⾯垂直平分两点(1,2,3)A 和(2,1,4)B -间的线段,求该平⾯的⽅程.解显然所求平⾯是与A 及B 等距离的点的轨迹.在平⾯上任取⼀点(,,)M x y z ,则有MA MB =,⽽MA MB ==两边平⽅,化简,即得所求平⾯的⽅程 26270x y z -+-=⼆、常见的曲⾯⽅程及其图形1.球⾯⽅程空间动点到⼀定点的距离等于常数,此动点的轨迹即为球⾯.定点叫做球⼼,常数叫做球的半径.设球⼼在点(,,)C a b c ,半径为r ,在球⾯上任取⼀点(,,)M x y z ,有MC r =,即r =两边平⽅得2222()()()x a y b z c r -+-+-= (1)此⽅程即为所求的球⾯⽅程.当(1)式中0a b c ===,即球⼼在原点,半径为r 时,(1)式可化为2222x y z r ++=【例2】下列⽅程表⽰什么曲⾯?(1)2222440x y z x y ++---=(2)2222450x y z x y ++--+= (3)2222460x y z x y ++--+=解将⽅程左端配⽅(1) 222(1)(2)9x y z -+-+=,表⽰以点(1,2,0)C 为球⼼,半径3r =的球⾯;(2) 222(1)(2)0x y z -+-+=,由于此⽅程只有唯⼀的⼀组解:1,2,0x y z ===,即它表⽰⼀点(1,2,0);(3) 222(1)(2)1x y z -+-+=-,这时,空间任⼀点坐标都不满⾜⽅程,即没有⼏何图像,称之为虚球⾯.2.母线平⾏于坐标轴的柱⾯⽅程设⽅程中不含某⼀坐标,如不含竖坐标z ,即(,)0F x y = (2)它在xOy 坐标⾯上的图形是⼀条曲线L ,由于⽅程中不含z ,故在空间中⼀切与L 上的点(,,0)P x y 有相同纵坐标的点(,,)M x y z 均满⾜⽅程,也就是说,经过L 上的任⼀点P ⽽平⾏于z 轴的直线上的⼀切点的坐标均满⾜⽅程.反之,如果''''(,,)M x y z 与曲线L 上的任何点不具有相同的横、纵坐标,则点'M 的坐标必不满⾜⽅程(2).满⾜⽅程(2)的点的全体构成⼀曲⾯,它是由平⾏与z 轴的直线沿xOy 平⾯上的曲线L 移动⽽形成的,这种曲⾯叫做柱⾯.曲⾯L 叫做准线,形成柱⾯的直线叫做柱⾯的母线.因此⽅程(2)在空间的图像是母线平⾏于z 轴的柱⾯.同样地,⽅程(,)0F y z =的图像是母线平⾏于x 轴的柱⾯;⽅程(,)0F x z =的图像是母线平⾏于y 轴的柱⾯.(1) ⽅程 22221x y a b+= (3) 表⽰柱⾯,它的准线为xOy ⾯上的椭圆,母线平⾏于z 轴,称之为椭圆抛物⾯.在⽅程(3)中,当a b r ==,即222x y r +=时,它表⽰圆柱⾯.(2) ⽅程22221x y a b-=表⽰准线为xOy ⾯上的双曲线,母线平⾏于z 轴的柱⾯,称之为双曲圆柱⾯.(3) ⽅程22y Px =表⽰准线为xOy ⾯上的抛物线,母线平⾏于z 轴的柱⾯,称之为抛物柱⾯.3.旋转曲⾯旋转曲⾯是由⼀条平⾯曲线绕其平⾯上的⼀条直线旋转⼀周⽽成的.这条直线叫做该旋转曲⾯的旋转轴,这条平⾯曲线叫做旋转曲⾯的母线.设在yOz 平⾯上的曲线C 的⽅程为(,)0F y z =,把曲线C 绕z 轴旋转⼀周,就得到⼀个以z 轴为轴的旋转曲⾯.它的⽅程可以这样求得:设1111(,,)M x y z 为曲线C 上任⼀点,则有11(,)0F y z =,当曲线C 旋转时,点1M 转到点(,,)M x y z ,这时1z z =,点M 和1M 到z 轴的距离相等,即1y =把11,z z y ==代⼊11(,)0F y z =得()0F z =这就是所求的旋转曲⾯的⽅程.同理,xOy 平⾯上的曲线(,)0F x y =绕y 轴旋转⼀周,所得旋转曲⾯⽅程为()0F y =xOz 平⾯上的曲线(,)0F x z =绕x 轴旋转⼀周,所得旋转曲⾯⽅程为(,0F x =⽅程22z x y =+是yOz 平⾯上的抛物线2z y =绕z 轴旋转⼀周⽽成的旋转曲⾯,称为旋转抛物⾯.4.常见的⼆次曲⾯及其⽅程(1) 椭球⾯⽅程2222221x y z a b c ++=所表⽰的曲⾯叫做椭球⾯.(2) 单叶双曲⾯⽅程2222221x y z a b c +-=所表⽰的曲⾯叫做单叶双曲⾯.(3) 双叶双曲⾯⽅程2222221x y z a b c-+=-所表⽰的曲⾯叫做双叶双曲⾯.特别的,2220x y z -+=所表⽰的曲⾯叫做圆锥⾯.(4) 抛物⾯(a) 椭圆抛物⾯⽅程22(,0)22x y z p q p q =+>所表⽰的曲⾯叫做椭圆抛物⾯.(b) 双曲抛物⾯⽅程22(,0)22x y z p q p q=-+>所表⽰的曲⾯叫做双曲抛物⾯,也叫马鞍⾯.课堂练习:1. 指出下列各⽅程表⽰什么曲⾯.(1)2221x y z ++=(2)21x = (3)22z x y =+ (4)222231x y z ++=⼩结:学习了常见曲⾯的⽅程及其图形,包括球⾯、柱⾯、旋转曲⾯、⼆次曲⾯等.要求了解常见空间曲线的标准⽅程并指导它们的图像。
空间曲线及其方程
§7.6 空间曲线及其方程一 空间曲线的一般方程空间曲线可看作两曲面的交线，设F x y z (,,)=0 和G x y z (,,)=0是两曲面的方程，它们的交线为C 。
曲线上的任何点的坐标x y z ,,应同时满足这两个曲面方程，因此，应满足方程组 F x y z G x y z (,,)(,,)==⎧⎨⎩00(1) 反过来，如果点M 不在曲线C 上，那么它不可能同时两曲面上。
所以，它的坐标不满足方程组(1)。
由上述两点可知：曲线C 可由方程组(1)表示。
方程组(1)称作空间曲线的一般方程。
二 空间曲线的参数方程对于空间曲线C ， 若C 上的动点的坐标x y z ,,可表示成为参数t 的函数x x t y y t z z t ===⎧⎨⎪⎩⎪()()() (2)随着t 的变动可得到曲线C 上的全部点，方程组(2)叫做空间曲线参数方程。
【例1】如果空间一点M 在圆柱面x y a 222+=上以角速度ω绕z 轴旋转，同时又以线速度v 沿平行于z 轴的正方向上升(其中：ω，v 均为常数)，那未点M 的轨迹叫做螺旋线，试建立其参数方程。
解：取时间t 为参数。
设当 t =0 时，动点与x 轴上的点 A a (,,)00 重合，经过时间t ，动点由A a (,,)00运动到M x y z (,,)。
记M 在xoy 面上的投影为'M ，它的坐标为'M x y (,,)0。
由于动点在圆柱面上以角速度ω绕z 轴旋转，经过时间t ，∠'=⋅AoM t ω从而 x a t y a t==⎧⎨⎩cos sin ωω又由于动点同时以线速度v 沿平行于z 轴正方向上升，所以z vt =因此，螺旋线的参数方程为x a t y a t z vt ===⎧⎨⎪⎩⎪cos sin ωω或令θω=⋅t ，则方程形式可化为x a y a z b b v ===⎧⎨⎪⎩⎪=cos sin (,)θθθωθ为参数螺旋线有一个重要性质： 当θ从θ0变到θα0+时，z 由b θ0变到b b θα0+；这表明当oM '转过角α时，M 点沿螺旋线上升了高度h b =α；特别地，当oM '转过一周，即απ=2时，M 点就上升固定的高度为h b =2π，这个高度在工程技术上叫螺距。
§7.4空间曲线及其方程高数
单叶双曲面: x a sec cos y b sec sin 4 4 z c tan 0 2 圆环面: x ( R r cos ) cos y ( R r cos ) sin 0 2 0 2 z r sin 正螺面:
解: 取时间 t 为参数, 当 t = 0 时, 动点从 x 轴上的 一点A(a, 0, 0)出发, 经过 t 时间, 运动到点M(x, y, z ), M 在xoy面上的投影为M(x, y, 0). z 由于点M在圆柱面 x2 + y2 = a2上以 角速度 绕 z 轴旋转, 所以经过时间 t , AOM= t. 从而: x =| OM |cosAOM= a cos t. y =| OM | sinAOM= a sin t. o M 又由于点M同时又以线速度 v 沿平行于 z 轴的正方向上升, 所以 x A y M z=vt t x a cos t 因此, 螺旋线的参 y a sin t 数方程为: z v t
x2 y2 1 z 0
x
2
y
补充: 空间立体或曲面在坐标面上的投影.
空 间 立 体
曲 面
z 4 x 2 y 2 和锥面 例6: 设一个立体由上半球面 z 3( x 2 y 2 ) 所围成, 求该立体在xoy面上的投影.
解: 半球面和锥面的交线为 z 4 x 2 y2 , C : z 3( x 2 y 2 ) , 消去 z 得投影柱面方程: x2 + y2 = 1. 则交线C在xoy面上 的投影曲线方程为: x 2 y 2 1, z 0. 这是xoy面上的一个圆, 所以, 所求立体在xoy面上的投 影(区域)为: x 2 y 2 1.
高等数学 -空间曲线及其方程
第四节
第七章
空间曲线及其方程
一、空间曲线的一般方程 二、空间曲线的参数方程 三、空间曲线在坐标面上的投影
一、空间曲线的一般方程
空间曲线可视为两曲面的交线, 其一般方程为方程组
例如,方程组
S2
G(x, y, z) 0
L
S1
F(x, y, z) 0
z
表示圆柱面与平面的交线 C.
2C
y
sin
1 x
,
,
求证： lim f (x, y) 0.
x0
y0
证： f (x, y) 0
x y
xy 0 xy 0
要证
ε
ε 0, δ ε 2,当0 ρ x2 y2 δ 时，总有
故
lim f (x, y) 0
x0
y0
证： Q 0 f (x, y)
x y 0 x 0, y 0
若对任意给定的 , 点P 的去心
E
邻域
内总有E 中的点 , 则
称 点P 是 E 的聚点. 聚点可以属于 E , 也可以不属于 E (因为聚点可以为
E 的边界点 )
所有聚点所成的点集成为 E 的导集 .
(3) 开区域及闭区域
• 若点集 E 的点都是内点，则称 E 为开集；
• E 的边界点的全体称为 E 的边界, 记作E ;
• 若存在点 P 的某邻域 U(P)∩ E = ,
则称 P 为 E 的外点 ;
• 若对点 P 的任一邻域 U(P) 既含 E中的内点也含 E
的外点 , 则称 P 为 E 的边界点 .
显然, E 的内点必属于 E , E 的外点必不属于 E , E 的
边界点可能属于 E, 也可能不属于 E .
空间曲线方程
一、空间曲线及其方程
1. 空间曲线的一般式方程
空间直线可以看作是两个平面的交线，而它的方程可以用这 两相交平面方程的联立方程组来表示，同样空间曲线可以看作两 个曲面的交线．
设有两个相交的曲面，它们的方程分别是F1(x,y,z)=0， F2(x,y,z)=0．那么联立方程组
（7-15） 就是它们交线的方程，称式(7 15）为空间曲线的一般式方程．
2x2+y2－2x=0． 于是，两球面的交线在xOy面上的投影曲线方程为
最后，我们通过例题来说明，空间解析几何中由方程来 描绘空间区域的方法．它在今后多元函数积分学中经常用到， 要仔细体会．
二、空间曲线在坐标面上的投影
【例4】
描绘由x≥0，y≥0，z≥0，x+y≤1，y2+曲线C′在xOy坐标面上的投影曲线方程．
二、空间曲线在坐标面上的投影
同理，从式(7-17）中消去x或y，分别得投影柱面方程 G(y,z)=0或R(x,z)=0，再分别与x=0或y =0联立，即可得曲 线C′在坐标面yOz面或zOx面上的投影曲线方程分别为
【例3】
求两球面x2+y2+z2=1和(x－1)2+y2+(z－1)2=1的交线 在xOy面上的投影方程．
解 在空间解析几何中，不等式关系描述了曲线上（下） 方或内（外）的区域，为此，我们在空间直角坐标系中只要 描绘出相应方程的图形，就可得到所描绘的空间区域．
方程x+y=1表示过点（1，0，0）和点（0，1，0）且 平行于z轴的平面．
二、空间曲线在坐标面上的投影
x+y≤1表示以x+y=1为界，且包含原点的那 个半空间．
一、空间曲线及其方程
空间曲面曲线方程
双叶双曲面 椭圆抛物面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
z
x2 a2
y2 b2
的图形（如图） 的图形（如图） 的图形（如图）
（返回）
三、空间曲线及其在坐标上的投影 1. 空间曲线其方程： 任何一条空间曲线都可以 成是两个曲面的交线 。 设
垂直与平面X+Y+Z=0，求平面方程
解：M1M2 1,0, 2，设所求平面的法向量为 n
因 M1M2 在所求平面上，故 n M1M2
面垂直于平面 X+Y+Z=0， 所以
，又所求平
i jk
n 1,1,11,0, 2 1 1 1 2,1,1
1 0 2
所求平面方程为
2(x 1) ( y 1) (z 1) 0, 即 2x y z 0
z
F(x,y,z)=0
y 0 x
例1） 求与点A(2, 1, 0)和点B(1, -3, 6)等距离的点的轨迹 解：设M(x, y, z)为轨迹上任一点，根据题意有 M1M M2M 将其写为坐标形式有
(x 2)2 ( y 1)2 z2 (x 1)2 ( y 3)2 (z 6)2
两边平方并整理得
解： 绕 x 轴旋转的曲面方程为：
x2 a2
y2 z2 b2
1
绕 y 旋转的旋转曲面方程为： 称这样的曲面为旋转椭球面
x2 z2 y2 1
a2
b2
例5．求由yoz平面上的直线z=ky绕z轴旋转而成的旋转曲面 方程
解：在z=ky中，把 y 换成 x2 y2 得到所求方程为
z k x2 y2 即 z2 k2(x2 y2)
高数空间曲线及其方程
隐式方程
通过三个坐标分量之间的 隐式关系来表示空间曲线， 如F(x,y,z)=0，其中F为某 个三元函数。
参数方程
通过引入参数来表示空间 曲线上的点的坐标，如 x=x(t), y=y(t), z=z(t)， 其中t为参数，可以表示空 间曲线上的任意一点。
02 空间曲线的基本类型
一般空间曲线
01
参数方程形式
空间曲线与曲面的切线及法线
要点一
切线与法线的定义
空间曲线在一点处的切线是与该点处 曲线相切的直线，法线则是垂直于切 线的直线。对于曲面而言，切线是指 曲面上一点处与曲面相切的平面，法 线则是垂直于该切平面的直线。
要点二
切线与法线的性质
切线和法线在几何学和微积分学中具 有重要的应用，它们可以用于描述曲 线和曲面的局部性质，如斜率、曲率 等。
空间曲线的基本概念
空间曲线的定义
空间曲线可以看作是一维曲线在三维空间中的推广，由无数个点组成，且每个 点都有三个坐标分量。
空间曲线的分类
根据形状和性质，空间曲线可以分为多种类型，如平面曲线、直线、圆、螺旋 线等。
方程表示方法
01
02
03
显式方程
通过三个坐标分量之间的 显式关系来表示空间曲线， 如x=f(t), y=g(t), z=h(t)， 其中t为参数。
要点三
切线与法线的求解方 法
对于给定的曲线或曲面方程，可以通 过求导或微分的方法得到切线和法线 的方程。对于空间曲线而言，需要分 别求出曲线在参数变化方向上的切向 量和法向量；对于曲面而言，则需要 求出曲面在一点处的切平面和法线向 量。
06 案例分析与实践应用
案例分析：空间曲线在实际问题中的应用
曲线的弯曲程度
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一、空间曲线的一般方程 二、空间曲线的参数方程
第七章 七
三、空间曲线在坐标面上的投影
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一、空间曲线的一般方程
空间曲线可视为两曲面的交线, 其一般方程为方程组
G(x, y, z) = 0 L F(x, y, z) = 0
S2
S1
例如,方程组 例如
z
2
C
表示圆柱面与平面的交线 C.
所围的立体在 xoy 面上的投影区域为: 二者交线在 xoy 面上的投影曲线所围之域 . 二者交线
z
在 xoy 面上的投影曲线 所围圆域: x2 + y2 ≤ 1, z = 0.
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C
x
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o
1
y
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内容小结
• 空间曲线 • 求投影曲线 三元方程组 或参数方程 (如, 圆柱螺线)
思考与练习
P324 题 1，2，7（展示空间图形）
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答案: 答案 P324 题1
x =1 (1) y=2
(2)
z = 4− x − y y−x =0
2
2
z
z
1
o o
2 y
o
x
2y
x
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(3)
x +z =a
2 2
2
x2 + y2 = a2
z
a o a
y
x
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z
z
ay x
x2 + y2 ≤ ax z =0
ay x
x2 + z2 ≤ a2 (x ≥ 0, z ≥ 0) y =0
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备用题 求曲线
绕 z 轴旋转的曲面与平面
x + y + z = 1的交线在 xoy 平面的投影曲线方程.
解： 旋转曲面方程为 z = x + y ,它与所给平面的 Q
令θ = ω t , b =
v
x
θ
y
ω
上升高度 h = 2 b, 称为螺距 . 螺距 π
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例1. 将下列曲线化为参数方程表示:
解: (1) 根据第一方程引入参数 , 得所求为
(2) 将第二方程变形为
故所求为
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例2. 求空间曲线 Γ: 时的旋转曲面方程 . 解: 转过角度θ 后到点 则
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例如, 例如,
x2 + y2 + z2 = 1 C: 2 x + ( y −1)2 + (z −1)2 = 1
在xoy 面上的投影曲线方程为
z
C
o
x
1 y
x2 + 2y2 − 2y = 0 z =0
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又如, 又如, 上半球面 和锥面
绕 z 轴旋转
点 M1绕 z 轴旋转,
这就是旋转曲面满足的参数方程 .
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例如, 例如 直线
绕 z 轴旋转所得旋转曲面方程为
消去 t 和 θ , 得旋转曲面方程为
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又如, 又如 xoz 面上的半圆周 绕 z 轴旋转所得旋转曲面 ( 即球面 ) 方程为
说明: 说明 一般曲面的参数方程含两个参数 , 形如
o
x
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1 y
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又如,方程组 又如
z
表示上半球面与圆柱面的交线C.
ay x
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二、空间曲线的参数方程
将曲线C上的动点坐标x, y, z表示成参数t 的函数:
z
称它为空间曲线的 参数方程.
M
例如,圆柱螺旋线 的参数方程为 例如,圆柱螺旋线的参数方程为
o
2 2
z = x2 + y2 交线为 x + y + z = 1 此曲线向 xoy 面的投影柱面方程为
此曲线在 xoy 面上的投影曲线方程为 x + y + x2 + y2 = 1 z = 0
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上页Biblioteka 下页返回结束三、空间曲线在坐标面上的投影
设空间曲线 C 的一般方程为 消去 z 得投影柱面 则C 在xoy 面上的投影曲线 C´为
z
C
H(x, y) = 0 z =0 y 消去 x 得C 在yoz 面上的投影曲线方程 x C′ R( y, z) = 0 x =0 T (x, z) = 0 消去y 得C 在zox 面上的投影曲线方程 y =0
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P324 题2 (1)
y = 5x +1 y = x −3 y = x −3
z
y = 5x +1
o
y
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P324 题2(2)
z
x2 y2 + =1 4 9 y =3
x
思考: 对平面 y = b 思考:
2
3
y
交线情况如何? 交线情况如何?
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P325 题 7