当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第一章 空间解析几何与向量代数 > 第一节 空间直角坐标系 > 空间直角坐标系
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲我们来学习空间直角坐标系
1637年
法国的哲学家和数学家笛卡尔
发表了《几何学》
引入直角坐标系
标志着解析几何的诞生
从此 几何问题可以归结成代数问题
通过代数的求解和转换
可以发现 证明几何性质
前面
我们通过椭圆平行弦中点轨迹
等具体实例展示
如何利用问题本身的特点
建立适当的坐标系
将平面几何问题约化为代数问题
利用几何性质
指导和简化代数计算
那么 对于空间情形
如何建立合适的直角坐标系
如何将空间几何转化为空间解析几何
这就是本讲的中心任务
对于平面情形
取定两条相互垂直的
具有共同原点的数轴
分别作为X轴和Y轴
对于空间情形
需要选择三条两两垂直的
具有共同原点的数轴
分别作为X轴 Y轴和Z轴
那么问题来了
这三条坐标轴怎么样标记成这样
还是这样的X Y Z
这两种标记方式有什么区别吗
如何区分
我们可以类比于物理学中的
左手定则和右手定则
我们知道
带电粒子在磁场中运动
受到洛伦兹力的作用
通过多次的物理实验
可以总结出
洛伦兹力的方向满足所谓的左手法则
另一方面
闭合导线在磁场中作切割磁力线运动
会产生电流
安培通过实验观察
总结出右手定则
确定产生电场的方向
同学还记得吗
想一想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧
因为大部分人都是右撇子
所以数学上规定
空间中三个坐标轴满足右手系
即四指的方向
从X轴正向握向Y轴的正向
翘起的大拇指方向指向Z轴的正向
空间中
两两垂直的X Y Z轴
构成三个平面
即XOY平面 YOZ平面和XOZ平面
那么这三个坐标平面
将空间分成多少块
对 八块
三个坐标平面把空间大卸八块
一个更一般性的问题就是
n个平面最多可以将空间分成多少块
同学想一想
到学习讨论区
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回到三个坐标平面把空间大卸八块
怎么命名这八块
回想平面情形
两个坐标轴将平面分成四块
我们称之为四个象限
现在是八块怎么叫
一元生两仪
两仪生四象
四象生八卦
所以就称为八卦
具体地
如何排列这八个卦限
第一卦限很明确
x y z都大于零
把上半空间中的四个卦限
从第一卦限开始
沿逆时针方向
依次记为第二 第三 四卦限
那么下半空间呢
第一挂限下面的称为第五卦限
然后依次是第六 第七 第八卦限
也就是这八个卦限中
上下相应的两个卦限是模4同余的
考察下列点所在的卦限
P Q R以及S
按照前面关于八个卦限的排列规则
可以先看点的Z轴的坐标
若z0>0
则点在上半空间
也就是在第一 二 三 四卦限
相应地
若z0<0
则点在下半空间
也就是在第五 六 七 八卦限
这样点P和点R就落在上半空间
而点Q和S就落在下半空间
再看点的X轴和Y轴的坐标
可以退化到平面象限情形
在平面上点(2,-3)落在第四象限
因此点P落在第四卦限
点(-2,-3)落在第三象限
因此点R落在第三卦限
而点S落在第七卦限
点(-3,2)落在第二象限
因此点Q落在第六卦限
上面是从点的坐标出发确定点所在的卦限
进而确定点的位置
那么反过来
对于空间中给定的点
如何确定它的坐标
过P点作XOY平面的垂线
再过垂足作X轴和Y轴的垂线
可以得到P点的坐标
当然也可以直接向三个坐标轴作垂线
上面的作法体现出
将空间问题约化为平面问题这个约化的思维
这样空间中的一个点
就对应唯一的一个三元实数组
反之 由一个三元实数组
可以在空间当中确定一个点
例如
分别作平行于坐标平面的平面
x=x0 y=y0以及z=z0
它们的交点就是点P
因此空间中的点
与三元实数组构成一一对应关系
后面我们不再刻意区分这两者
空间中有两点P1 P2
两点位置任意给定
不妨设对应的坐标都不相等
那么过P1和P2两点
作平行于坐标平面的平面
可以得到一个长方体
线段P1 P2就是这个长方体的
一个对角线
如何求长方体的对角线的长度
考察顶点R和Q
利用勾股定理
可以得到P1Q
进一步的可以得到P1P2
这就是空间的两点的距离公式
它们也可以视为三维空间的勾股定理
如果点P1 P2两点的部分的坐标相同
例如x1=x2
那么 P1和P2两点就落在
平行于YOZ坐标平面的平面内
就退化为二维的平面情形
P1和P2
是一个矩形的顶点
利用勾股定理
或者二维平面的两点距离公式
可以得到P1 P2的距离
那么如果x1=x2 y1=y2
几何图形如何
如何求出两点的距离
从以上分析可知
由一维直线上的两点距离公式和勾股定理
可以推出二维平面上的两点的距离公式
进一步地可以推出
三维空间当中两点的距离公式
这就是数学概念的逐步拓展的过程
空间中到定点的距离等于定长点的集合
就是球面
这个定点就是球心Q
定长就是球的半径r
对于球面上任意一点P
有QP的距离等于r
用坐标来表示
就得到球面的标准方程
从球面的标准方程
可以一眼看出球面的球心位置和半径大小
如果把球面的标准方程平方展开
整理可得球面的一般方程
这个方程有什么特点
首先
它是关于坐标x y z的二次方程
其次
方程中没有出现二次交叉项xy yz或者xz
再者
二次项前面的系数都是相等的
那么反过来
满足这几条的方程
是否一定表示一个球面
会不会出现其它情况
考察下列方程所表示的图形
S1 S2 S3
它们都表达球面吗
通过配平方法
可以得到S1的标准形式
它表示一个球心在点(5,4,6)
半径为3的球面
S2的标准形式
它只能表示一个点(5,4,6)
以及S3的标准形式
这个方程无解
也就是满足这个方程的点的集为空集
同学
对于一般的二次方程
你可以总结出一般性的判据
判定二次方程是否表达一个球面
到学习讨论区
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本讲 首先将平面直角坐标系
升级到空间直角坐标系
将空间中的点与三元实数对相对应
利用二维平面的两点距离公式和勾股定理
推导出三维空间的两点距离公式
并由此推导出空间球面的
标准方程和一般方程
利用空间直角坐标系
可以将空间几何升级为空间解析几何
为此我们首先必须将空间图形
与代数方程联系起来
有关空间图形与方程的联系
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结




