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柱坐标系与球坐标系在线视频

柱坐标系与球坐标系

下一节:平面点集及其分类

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柱坐标系与球坐标系课程教案、知识点、字幕

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 我们来学习柱坐标系和球坐标系

前面 我们学习了平面直角坐标系

就是利用两条具有相同原点

并相互垂直的数轴

将平面上的点与二元实数对

(x,y)建立一一对应

这样平面图形就与关于变量x

和y的方程相对应

或者 利用平面极坐标系

也就是给定极点和极轴

将平面上的点与二元实数对

(r,θ)建立对应

此时 平面图形就与关于

变量r和θ的方程相对应

注意到没有

对于平面上的点或者图形

我们只要两个变量就可以表达

为了确定空间中的点和图形

我们前面学习了直角坐标系

将空间中的点或者图形

用三元实数对及其方程来表达

那么 空间中除了直角坐标系

还有其它形式的坐标系吗

有 比如

柱坐标系和球坐标系

这就是本讲的中心任务

圆柱面在直角坐标系下的方程

是一个二次方程给出

那么 有没有更简单的表示

对于圆柱面上任意一点P

过P点作坐标平面xoy的垂线

垂足为Q 连接线段OQ

线段OQ与x轴的夹角为θ

线段OQ的长度为r

那么 圆柱面的方程可以写成r=1

这是关于变量r的一次方程

这种方法具有一般性吗

一般地 对于空间任意一点P

过P点作坐标平面xoy的垂线

垂足为Q 连接线段OQ

线段PQ的长度记为z

线段OQ与x轴的夹角为θ

线段OQ的长度为r

这样从空间中的一点P

得到了三元实数对(r,θ,z)

这就是空间柱坐标系

它是平面极坐标系加上一个垂直的z轴

空间直角坐标系与空间柱坐标系

都可以用来表达空间中的点与图形

因此 它们之间可以相互转换

仔细观察可以发现

空间直角坐标系与柱坐标系之间的转换

就是关于直角坐标中的变量x和y

与极坐标r和θ之间的转换

空间直角坐标系中

三个变量分别等于常数

可以得到三个坐标平面

那么 在空间柱坐标系中

三个变量分别等于常数

可以得到什么样的图形

由前面的分析可知r=1

表达的是半径为1

以z轴为轴线的圆柱面

角度θ=π/4 表达的是

第一 五卦限平分的半平面

而z=1 表达的是垂直于z轴的平面

那么 一般地

变量r θ z分别为任意常数

它们分别表示什么样的空间曲面

在直角坐标系下

这个二次方程表达的是什么空间图形

这个方程的特点是

关于变量z是一次的

而关于x和y是平方和

它在柱坐标系下相应的方程是什么

利用直角坐标系与柱坐标系

之间的相互转换关系

可以得到柱坐标系下的方程

分别在直角坐标系和柱坐标系下

画出相应的图形

如右图所示

它们所表达的图形有差别吗

直角坐标系和柱坐标系

各自有什么优缺点

如何选择合适的坐标系

帮助我们计算

同学 到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

设已知柱坐标系下方程

它表达的是什么样的空间图形

将它约化为直角坐标系下的方程

分别在直角坐标系和柱坐标系下

画出相应的图形

如右图所示

这像一个马鞍

因此称为马鞍面

这两个图形的形状有差别吗

从图中可以看出它们的纹理不同

同学 你能解释这两个图形纹理的意义吗

我们生活的地球可以近似看成一个球体

地球半径约为6371千米

地球表面的地点

可以用经度和纬度两个量来确定

例如 我国首都北京位于东经116° 北纬40°

法国巴黎位于东经2° 北纬49°

那么 问题来了

北京与巴黎的地表距离是多少

这就牵涉到如何定义和计算

地球两点间的地表距离

对于一个球体

我们知道球心的位置和半径的大小

对球面上任意一点P

连接P点与球心O

则线段OP的长度就等于半径

那么 经度和纬度呢

为了处理类似地球表面

两点间的地表距离等问题

可以类似地球表面的经度纬度的定位方式

建立空间球坐标系

对于空间任意一点P

连接OP 记线段OP长度为ρ

过点P作XOY平面垂线

垂足为Q

连接OQ OQ与x轴正向的夹角θ

OP与z轴正向的夹角φ

也就是 对于点P

我们得到了一个三元实数对(ρ θ φ)与之对应

这就是球坐标系

它适合于处理球形区域上的问题

利用球坐标系的上述构造过程

可以得到球坐标系

与直角坐标系的相互转换关系

角度θ与日常所说的经度类似

而角度φ日常所说的纬度类似

但是也是不完全相同

变量ρ θ φ 分别等于常数

可以得到球坐标系下的坐标面

例如 ρ为常数

表达的是球面

角度θ为常数表达的是半平面

那么 φ为常数

表达的是什么样的曲面

方程φ=π/4

表达的是什么样的曲面

它是圆锥面的一半

再复杂一点

球坐标系方程ρ=2cosφ

它表达的是什么样的曲面

将它转化为直角坐标系下的方程看看

利用配方法

可以看出它是一个球心位于(0,0,1)点

半径为1的球面

反过来

如果已知直角坐标系的一个球面方程

它在球坐标系下方程是什么

利用球坐标系与直角坐标系的相互转换关系

可以得到这个球面在球坐标系下的方程

同学你能给出这个方程的几何解释吗

对于球面上任意一点P

记z轴直径的上端点Q

连接PQ 在直角三角形OPQ中观察

你就能看懂这球面在球坐标系下的方程

给定球面上两个点P和Q

如何定义和计算P和Q两点间的球面距离

过P和Q 以及球心

三点确定一个平面

这个平面与球面截出一个大圆

大圆上P和Q间劣弧的弧长

就定义为P和Q两点间的球面距离

为了计算球面距离

只需计算出向量OP和OQ之间的夹角

再利用弧长公式进行计算

同学 自己动手计算一下

北京与巴黎之间的地表距离吧

至此 我们学习了空间直角坐标系 柱坐标系

以及球坐标系

它们都是将空间中的点

与三元实数对相对应

从而将空间图形与代数方程相对应

可以利用代数方法

求解简单的几何问题

也为我们运用分析思想和方法

求解一般性的几何问题

提供了技术准备

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

柱坐标系与球坐标系笔记与讨论

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