同济大学《高等数学》7.4节 空间曲线及其方程
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同济-高等数学-第三版(7.7) 第七节 空间曲线及其方程
点 M 是否在曲线 C 上。 因为点 M( x ,y ,z )的坐标满足方程 F( x ,y ,z )= 0， 故点 M 在曲面 1 上，又点 M( x ,y ,z )的坐标满足方程 G( x ,y ,z )= 0，故点 M 在曲面 2 上。于是可知点 M 在
曲面 1 , 2 的交线 C 上。
由于消元法不会改变方程组的解，为求曲线 C 向坐
标面的投影柱面只需在曲线 C 的一般式方程中消去相 应的变量即可。
• 曲线 C 向 xOy 坐标面投影
F x, y, z 0 , C: G x, y, z 0 .
消去变量 z
得投影柱面
1 2
z
C
xy
2
yz : H2 y, z 0
H2 y, z 0 , C yz : x 0.
• 曲线 C 向 zOx 坐标面投影
F x, y, z 0 , C: G x, y, z 0 .
消去变量 y 得投影柱面 联立 y = 0 得投影曲线
zx : H3 x, z 0
接反映为其坐标 x ,y ,z 间的某个关系式，而是表现为与 运动过程相关的某个参数 t 的函数。 例如，运动过程中动点 M( x ,y ,z )的坐标总是时间 t 的函数。于是就有了所谓参数方程的概念。
参数方程的一般形式为 t , x C : y t , t z t .
z
含有缺变量 y 的柱面方程
x 2 + y 2 = a 2 ，因而它就是 曲线 C 向 xOz 平面投影的 投影柱面方程。直接写出 投影曲线方程有
x 2 y 2 a 2, C xy : z0.
曲面 1 , 2 的交线 C 上。
由于消元法不会改变方程组的解，为求曲线 C 向坐
标面的投影柱面只需在曲线 C 的一般式方程中消去相 应的变量即可。
• 曲线 C 向 xOy 坐标面投影
F x, y, z 0 , C: G x, y, z 0 .
消去变量 z
得投影柱面
1 2
z
C
xy
2
yz : H2 y, z 0
H2 y, z 0 , C yz : x 0.
• 曲线 C 向 zOx 坐标面投影
F x, y, z 0 , C: G x, y, z 0 .
消去变量 y 得投影柱面 联立 y = 0 得投影曲线
zx : H3 x, z 0
接反映为其坐标 x ,y ,z 间的某个关系式，而是表现为与 运动过程相关的某个参数 t 的函数。 例如，运动过程中动点 M( x ,y ,z )的坐标总是时间 t 的函数。于是就有了所谓参数方程的概念。
参数方程的一般形式为 t , x C : y t , t z t .
z
含有缺变量 y 的柱面方程
x 2 + y 2 = a 2 ，因而它就是 曲线 C 向 xOz 平面投影的 投影柱面方程。直接写出 投影曲线方程有
x 2 y 2 a 2, C xy : z0.
§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.
7.4空间曲线及其方程
投影曲线
面上的投影曲线 空间曲线在xoy 面上的投影曲线
H ( x, y) = 0 z = 0
类似地： 类似地：可定义空间曲线在其他坐标面上的投影
yoz 面上的投影曲线 面上的投影曲线 投影曲线,
xoz面上的投影曲线 面上的投影曲线 投影曲线,
R( y , z ) = 0 x = 0
交线如图. 交线如图
注2 联立任意两个给定的曲面方程, 它们可能不表示
任何空间曲线. 如
x 2 + y 2 + z 2 = 20 , z − 2 = 0.
表示平面 z = 2上,中心在(0,0,2), 半径为4的圆, 而
x 2 + y 2 + z 2 = 20 , z = 5.
L上. (1)叫空间曲线的一般方程 .Fra bibliotek(1)
反之 , 坐标满足 (1)的点,同时在两曲面上 , 即在交线
注 空间曲线 L可用不同形式的方程组 来表达 , 如 x = 0, oy轴的方程是 (4.1) z = 0.
x + z = 0, 因方程组 ( 4.1)与 x − z = 0.
x2 + y2 = 1 表示怎样的曲线？ 例 1 方程组 表示怎样的曲线？ 2 x + 3 y + 3z = 6
解 表示圆柱面， x 2 + y 2 = 1 表示圆柱面， 表示平面， 2 x + 3 y + 3 z = 6 表示平面，
x2 + y2 = 1 2 x + 3 y + 3z = 6
1 （2）因为曲线在平面 z = 上， ） 2 面上的投影为线段. 所以在 xoz 面上的投影为线段
高等数学 -空间曲线及其方程
高等数学(下)
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 .
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 .
空间曲线及其方程
n级排列的总数为n!个。
<2> 一个排列中，若较大的数 is 排在较小的数 it 的前面 ( is > it ) 时，称这一对数 is it 构成一个逆序。 一个排列中逆序的总数，称为它的逆序数。 记为τ(i1, i2, … in)，简记为τ 。 例如： 例如： τ(1 2 3)=0, τ(3 1 2)=2, τ(4 5 2 1 3)=7, 1 3 2 2 1 3 3 1 2
3. 空间曲线在坐标面上投影 F (x, y, z) = 0 设空间曲线C的一般方程 G (x, y, z) = 0 由方程组(4)消去z后得方程 H (x, y) = 0 (5) 方程(5)表示一个母线平行于z 轴的柱面,
z
(4)
曲线 C 一定在柱面上. 空间曲线 C 在 x O y 面上的 投影曲线必定包含于: H (x, y) = 0 z=0
§6
二次曲面的标准方程 二次曲面的标准方程 曲面的标准
1.定义 由x, y, z的二次方程: 定义 ax2 + by2 + cz2 +dxy + exz + fyz + gx + hy + iz +j = 0 + + 所表示的曲面, 称为二次曲面. 其中a, b, …, i, j 为常数且a, b, c, d,e, f 不全为零. 研究方法是采用平面截痕法.
z = 4− x 2 − y 2 C: z = 3( x 2 + y 2 )
由方程消去 z , 得 x2 + y2 =1 ( 圆柱面) x 于是交线C 在xoy面上的投影曲线为 x2 + y2 = 1 z=0
O x2 + y2 ≤ 1
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
同济第五版高数下第七章课件
2 2 2
z
（3）同理在xOz面上的投影
也为线段.
1 z 2, y 0 | x | 3 2 ;
O
y
x
例4 求抛物面 y z 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. z
2 2
解
截线方程为
y z x x 2y z 0
z: b 0 b 0 b ,
令 2 ,
h 2b
( t , b
z
x a cos t y a sin t z vt v
)
则上升的高度: 称为螺距.
h
x
o
z
y
三、空间曲线在坐标面上的投影
F ( x, y, z) 0 设空间曲线C的一般方程： G ( x , y , z ) 0
2 2
例6 求上半球面 和锥面 所围的立体在 xoy 面上的投影. 解 所求投影是二曲面交线在xoy 面上的 投影曲线所围之域 . 二曲面交线
x o
z
C
1
y
在xoy 面上的投影曲线 所围区域为圆域:
x y 1, z 0.
2 2
补充: 空间立体或曲面在坐标面上的投影.
空 间 立 体
曲 面
( t为 参 数 )
当给定 t
( x 1 , y 1 , z 1 ),
t1
时,就得到曲线上的一个点
随着参数的变化可得到曲线上的
全部点.
例3 如果空间一点M在圆柱面 x y a 上以角速度 绕z轴旋转,同时又以线速度v 沿平行于z轴上升，那么点M构成的图形叫做 螺旋线. 试建立其参数方程. z 取时间t为参数， 动点从A点出发, 解 经过t 时间，运动到M点. M 在 xoy 面的投影 M ( x , y , 0 )
z
（3）同理在xOz面上的投影
也为线段.
1 z 2, y 0 | x | 3 2 ;
O
y
x
例4 求抛物面 y z 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. z
2 2
解
截线方程为
y z x x 2y z 0
z: b 0 b 0 b ,
令 2 ,
h 2b
( t , b
z
x a cos t y a sin t z vt v
)
则上升的高度: 称为螺距.
h
x
o
z
y
三、空间曲线在坐标面上的投影
F ( x, y, z) 0 设空间曲线C的一般方程： G ( x , y , z ) 0
2 2
例6 求上半球面 和锥面 所围的立体在 xoy 面上的投影. 解 所求投影是二曲面交线在xoy 面上的 投影曲线所围之域 . 二曲面交线
x o
z
C
1
y
在xoy 面上的投影曲线 所围区域为圆域:
x y 1, z 0.
2 2
补充: 空间立体或曲面在坐标面上的投影.
空 间 立 体
曲 面
( t为 参 数 )
当给定 t
( x 1 , y 1 , z 1 ),
t1
时,就得到曲线上的一个点
随着参数的变化可得到曲线上的
全部点.
例3 如果空间一点M在圆柱面 x y a 上以角速度 绕z轴旋转,同时又以线速度v 沿平行于z轴上升，那么点M构成的图形叫做 螺旋线. 试建立其参数方程. z 取时间t为参数， 动点从A点出发, 解 经过t 时间，运动到M点. M 在 xoy 面的投影 M ( x , y , 0 )
74空间曲线
思考与练习
P324 题 1，2，7（展示空间图形）
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答案: P324 题1
x 1
(1)
y2
z
z 4 x2 y2
(2)
yx0
z
oo
2y
1
x
o
2y
x
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(3) x2 z2 a2 x2 y2 a2
z a oa
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
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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
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.
M o
x y
上升高度 h 2 b, 称为螺距 .
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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 : 时的旋转曲面方程 .
解:
转过角度 后到点
绕 z 轴旋转
点 M1绕 z 轴旋转, 则
这就是旋转曲面满足的参数方程 .
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例如, 直线
绕 z 轴旋转所得旋转曲面方程为
消去 t 和 , 得旋转曲面方程为
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