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 > 空间图形与方程
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
本讲我们来学习简单的
空间图形及其方程
前面我们将平面直角坐标系
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
利用空间直角坐标系
可以将空间几何和平面解析几何
升级到空间解析几何
为此
我们首先必须将空间图形
与代数方程联系起来
本讲我们来探求
一些简单的空间图形及其方程
以及如何从代数方程出发
画出相应的几何图形
已知两点P1 P2
求出线段P1 P2中点M的坐标
对于平面情形
我们知道线段P1 P2中点M的横纵坐标
分别等于P1和P2两点相应坐标的平均值
那么对于空间情形呢
空间两点中点的三个坐标
分别等于P1 P2两点相应的坐标的平均值
如何理解和推导这个中点公式
同学想一想
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与小伙伴们交流交流吧
已知两点P1 P2的坐标
求出以P1 P2为直径的球面的方程
也就是要确定球面的球心位置和半径大小
球心就是线段P1 P2的中点
半径就等于P1 P2两点距离的一半
利用两点距离公式以及中点公式
可以得到球面的球心和半径
因此可以得到球面的标准方程
这是一个二次方程
由上面分析可知
球面方程是一个三元二次方程
那么三元一次方程表达什么样的空间图形
对
三元一次方程表达的空间图形
是一个平面
为什么
想一想
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具体地
一次方程3x+4y+2z=12
表达什么样的平面
我们来考察这个平面
在三个坐标轴上的截距
利用y z等于0
可得x=4
这就是平面在x轴上的截距
同理
令x z等于0
可得y=3
这是平面在y轴上的截距
令x y等于0
可得z=6
这是平面在z轴上的截距
那么反过来
如果已知平面在坐标轴上的截距
如何写出平面的截距式方程
从上面的分析
原来的平面经过
(4,0,0)(0,3,0)和(0,0,6)三个点
三点确定一个平面
如何从这个三个点的信息
写出平面的三点式方程
类似可以得到
原来平面与三个坐标平面的交线
如何写出这三条交线的方程
进一步地
从这共面的三线方程
可以写出平面方程吗
同学想一想
带着这些问题
继续往下听课
考察一次方程
2x+3y=6
它表示什么样的图形
如果是在平面内考虑问题
那么一次方程
表达的是平面内的一条直线
那么空间情形呢
这是空间情形吗
怎么没有看到变量z
没有看到变量z就是说明变量z
前面的系数为零
这时变量z就可以随便的变化
没有任何限制
视为三元一次方程的2x+3y=6
表达的是XOY平面内的直线
在平行z轴方向任意移动
所扫出来的平面
从以上特例的分析和讨论
可以知道空间中平面的一般方程
是三元一次方程
那么如何表达空间中的曲面
直线或者曲线
前面求出球面的标准方程
例如(x-2)²+y²+(z-5)²=16
表示球心在(2,0,5)点
r=4的球面
那么一般的三元二次方程
表达什么样的空间图形
回顾一下二元二次方程
表达什么样的平面图形
如果二次项系数不全为零
二元二次方程表达的是平面上的二次曲线
也就是圆锥曲线
依据方程系数之间的不同关系
可以分为圆 椭圆 双曲线和抛物线等情况
那么三元二次方程
表达什么样的空间图形
考察三元二次方程
它在三个坐标平面上的交线分别是
在XOY平面内z=0
以及一个关于x y的方程
在YOZ平面内x=0
以及一个关于y和z的方程
在XOZ平面内y=0
以及一个关于x z的方程
这些表达都是坐标平面内的椭圆
原来三元二次方程表达的是
空间当中的椭球面
考察三元二次方程
它与上面的方程区别是
z平方前面的系数变为了-1
它在三个坐标平面上的交线分别是
在XOY平面内z=0
以及一个关于x y的方程
这是椭圆方程
在YOZ平面内x=0
以及一个关于y和z的方程
这是双曲线方程
在XOZ平面内y=0
以及一个关于x和z的方程
这也是双曲线方程
三元二次方程表达的空间图形是什么
对 是单叶双曲面
那么如果方程中
y z的平方项系数变为-1
即这样的三元二次方程
表达什么样的空间图形
考察三元二次方程
这个方程中并没有出现z的平方项
只有z的一次项
它在坐标平面上的交线分别是
在YOZ平面内x=0
以及一个关于y和z的方程
这是抛物线方程
在XOZ平面内y=0
以及一个关于x z的方程
这也是抛物线方程
在上半空间中平行于XOY平面的平面内
z=c>0
以及一个关于x y的方程
这是椭圆方程
三元二次方程表达空间图形是什么
对
是椭圆抛物面
考察三元二次方程
它与上面的方程区别是
方程右端变为0
它在坐标平面的交线分别是
在YOZ平面内x=0
以及一个关于y z的方程
可以解得z关于y的方程
它是两条直线的方程
在XOZ平面内y=0
以及一个关于x和z的方程
可以解得z关于x函数
这也是两条直线的方程
在上半空间中
平行于XOY平面的平面内z=c
以及一个关于x y的方程
这是椭圆方程
三元二次方程表达空间图形是什么
对 是椭圆锥面
同学
对于一般的三元二次方程
你可以总结出一个一般性的判据
判别三元二次方程表达
是什么样的二次曲面吗
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本讲利用空间直角坐标系
将空间中的点与三元实数对相对应
三元变量的方程与空间图形相对应
特别地
三元一次方程对应空间中的平面
三元二次方程对应的是
空间中的二次曲面
依据方程系数的不同关系
二次曲面的形状变化比较多
在大学数学的线性代数课程
将会给出一种方法
对于二次曲面进行分类
为了进一步的探讨空间图形与方程的联系
需要引入空间向量及其运算
有关空间向量及其运算
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