РефератыМатематикаПоПоверхности второго порядка

Поверхности второго порядка

Поверхности второго порядка
– это поверхности, которые в прямоугольной системе координат определяются алгебраическими уравнениями второй степени.


1.
Эллипсоид.


Эллипсоидом называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат определяется уравнением
:


(1)


Уравнение (1) называется каноническим уравнением эллипсоида.


Установим геометрический вид эллипсоида. Для этого рассмотрим сечения данного эллипсоида плоскостями, параллельными плоскости Oxy.
Каждая из таких плоскостей определяется уравнением вида z=h
, где h
– любое число, а линия, которая получается в сечении, определяется двумя уравнениями


(2)


Исследуем уравнения (2) при различных значениях h

.


1) Если > c
(c>0), то и уравнения (2) определяют мнимый эллипс, т. е. точек пересечения плоскости z=h
с данным эллипсоидом не существует.


2) Если , то
и линия (2) вырождается в точки (0; 0; + c
) и (0; 0; - c
) (плоскости касаются эллипсоида).


3) Если , то уравнения (2) можно представить в виде



откуда следует, что плоскость z=h
пересекает эллипсоид по эллипсу с полуосями и . При уменьшении значения и увеличиваются и достигают своих наибольших значений при , т. е. в сечении эллипсоида координатной плоскостью Oxy
получается самый большой эллипс с полуосями и .


Аналогичная картина получается и при пересечении данной поверхности плоскостями, параллельными координатным плоскостям Oxz
и Oyz
.


Таким образом, рассмотренные сечения позволяют изобразить эллипсоид как замкнутую овальную поверхность (рис. 156). Величины a, b, c
называются полуосями
эллипсоида. В случае a=b=c
эллипсоид является сферо
й
.


2.
Однополосный гиперболоид.


Однополосным гиперболоидом называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат определяется уравнением


(3)


Уравнение (3) называется каноническим уравнением однополосного гиперболоида.


Установим вид поверхности (3). Для этого рассмотрим сечение ее координатными плоскостями Oxy
(
y=0)
и
Oyx (x=0).
Получаем соответственно уравнения


и


из которых следует, что в сечениях получаются гиперболы.


Теперь рассмотрим сечения данного гиперболоида плоскостями z=h, параллельными координатной плоскости Oxy
.
Линия, получающаяся в сечении, определяется уравнениями


или (4)



из которых следует, что плоскость z=h пересекает гиперболоид по эллипсу с полуосями и ,


достигающими своих наименьших значений при h=0, т.е. в сечении данного гиперболоида координатной осью Oxy получается самый маленький эллипс с полуосями a*=a и b*=b. При бесконечном возрастании величины a* и b* возрастают бесконечно.


Таким образом, рассмотренные сечения позволяют изобразить однополосный гиперболоид в виде бесконечной трубки, бесконечно расширяющейся по мере удаления (по обе стороны) от плоскости Oxy.


Величины a, b, c называются полуосями однополосного гиперболоида.


3.
Двуполостный гиперболоид.


Двуполостным гиперболоидом называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат определяется уравнением


(5)


Уравнение (5) называется каноническим уравнением двуполостного гиперболоида.


Установим геометрический вид поверхности (5). Для этого рассмотрим его сечения координатными плоскостями Oxy и Oyz. Получаем соответственно уравнения


и


из которых следует, что в сечениях получаются гиперболы.


Теперь рассмотрим сечения данного гиперболоида плоскостями z=h, параллельными координатной плоскости Oxy. Линия, полученная в сечении, определяется уравнениями


или (6)


из которых следует, что при >c (c>0) плоскость z=h пересекает гиперболоид по эллипсу с полуосями и . При увеличении величины a* и b* тоже увеличиваются.


При уравнениям (6) удовлетворяют координаты только двух точек: (0;0;+с) и (0;0;-с) (плоскости касаются данной поверхности).


При уравнения (6) определяют мнимый эллипс, т.е. точек пересечения плоскости z=h с данным гиперболо

идом не существует.


Величина a, b и c называются полуосями двуполостного гиперболоида.


4.
Эллиптический параболоид.


Эллиптическим параболоидом называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат определяется уравнением



(7)


где p>0 и q>0.


Уравнение (7) называется каноническим уравнением эллиптического параболоида.


Рассмотрим сечения данной поверхности координатными плоскостями Oxy и Oyz. Получаем соответственно уравнения


и


из которых следует, что в сечениях получаются параболы, симметричные относительно оси Oz, с вершинами в начале координат.


Теперь рассмотрим сечения данного параболоида плоскостями z=h, параллельными координатной плоскости Oxy. Линия, получающаяся в сечении, определяется уравнениями


или (8)


из которых следует, что при плоскость z=h пересекает эллиптический параболоид по эллипсу с полуосями и . При увеличении h величины a и b тоже увеличиваются; при h=0 эллипс вырождается в точку (плоскостьz=0 касается данного гиперболоида). При h<0 уравнения (8) определяют мнимый эллипс, т.е. точек пересечения плоскости z=h с данным гиперболоидом нет.


Таким образом, рассмотренные сечения позволяют изобразить эллиптический параболоид в виде бесконечно выпуклой чаши.


Точка (0;0;0) называется вершиной параболоида; числа p и q – его параметрами.


В случае p=q уравнение (8) определяет окружность с центром на оси Oz, т.е. эллиптический параболоид можно рассматривать как поверхность, образованную вращением параболы вокруг её оси (параболоид вращения).


5.
Гиперболический параболоид.


Гиперболическим параболоидом называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат, определяется уравнением


(9)


где p>0, q>0.


Уравнение (9) называется каноническим уравнением гиперболического параболоида.


Рассмотрим сечение параболоида плоскостью Oxz (y=0). Получаем уравнение


(10)


из которых следует, что в сечении получается парабола, направленная вверх, симметричная относительно оси Oz, с вершиной в начале координат. В сечениях поверхности плоскостями, параллельными плоскости Oxz (y=h), получаются так же направленные вверх параболы.



рассмотрим сечение данного параболоида плоскостью Oyz (x=0).


Получаем уравнение



из которых следует, что и в этом случае в сечении получается парабола, но теперь направленная вниз, симметричная относительно оси Oz, с вершиной в начале координат. Рассмотрев сечения параболоида плоскостями, параллельными плоскости Oyz (x=h), получим уравнения



из которых следует, что при любом h в сеченииполучается парабола, направленная вниз, а вершина её лежит на параболе, определённой уравнениями (10).


Рассмотрим сечения параболоида плоскостями z=h, параллельными плоскости Oxy . получим уравнения


или


из которых следует, что при h>0 в сечении получаются гиперболы, пересекающие плоскость Oxy; при h<0 – гиперболы, пересекающие плоскости Oyz; при h=0 – гипербола вырождается в пару пересекающихся прямых


и


точка (0;0;0) называется вершиной параболоида; числа p и q – его параметрами.


6.
Конус второго порядка.


Конусом второго порядка называется поверхность, которая в некоторой прямоугольной системе координат определяется уравнением


(11)


Рассмотрим геометрические свойства конуса. В сечение этой поверхности плоскостью Oxy (y=0) получаем линию



распадающуюся на две пересекающиеся прямые


и


Аналогично, в сечении конуса плоскостью Oyz (x=0) также получаются две пересекающиеся прямые


и


Рассмотрим сечения поверхности плоскостями z=h, параллельными плоскости Oxy. Получим


или


из которых следует, что при h>0 и h<0 в сечениях получаются эллипсы с полуосями . При увеличении абсолютной величины h полуоси a* и b* также увеличиваются.


При h=0 линия пересечения поверхности с плоскостью z=h вырождается в точку (0;0;0).


C
писок использованной литературы
:


1.Шипачёв В.С.:”Высшая математика”

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Поверхности второго порядка

Слов:1072
Символов:9435
Размер:18.43 Кб.