|
|
Поверхности второго порядка. Презентация. поверхности второго порядка. Поверхности второго порядка Определение декартовой системы координат
Поверхности второго порядка Определение декартовой системы координат. Если вы находитесь в некоторой нулевой точке и размышляете над тем, сколько единиц расстояния нужно пройти строго вперёд, а затем - строго вправо, чтобы оказаться в некоторой другой точке, то вы уже пользуетесь прямоугольной декартовой системой координат на плоскости. А если точка находится выше плоскости, на которой вы стоите, и к вашим расчётам добавляется подъём к точке по лестнице строго вверх также на определённое число единиц расстояния, то вы уже пользуетесь прямоугольной декартовой системой координат в пространстве. Упорядоченная система двух или трёх пересекающихся перпендикулярных друг другу осей с общим началом отсчёта (началом координат) и общей единицей длины называется прямоугольной декартовой системой координат. С именем французского математика Рене Декарта (1596-1662) связывают прежде всего такую систему координат, в которой на всех осях отсчитывается общая единица длины и оси являются прямыми. Помимо прямоугольной существует общая декартова система координат (аффинная система координат). Она может включать и не обязательно перпендикулярные оси. Если же оси перпендикулярны, то система координат является прямоугольной. Прямоугольная декартова система координат на плоскости имеет две оси, а прямоугольная декартова система координат в пространстве - три оси. Каждая точка на плоскости или в пространстве определяется упорядоченным набором координат - чисел в соответствии единице длины системы координат. Заметим, что, как следует из определения, существует декартова система координат и на прямой, то есть в одном измерении. Введение декартовых координат на прямой представляет собой один из способов, с помощью которого любой точке прямой ставится в соответствие вполне определённое вещественное число, то есть координата. Метод координат, возникший в работах Рене Декарта, ознаменовал собой революционную перестройку всей математики. Появилась возможность истолковывать алгебраические уравнения (или неравенства) в виде геометрических образов (графиков) и, наоборот, искать решение геометрических задач с помощью аналитических формул, систем уравнений. Так, неравенство z < 3 геометрически означает полупространство, лежащее ниже плоскости, параллельной координатной плоскости xOy и находящейся выше этой плоскости на 3 единицы. Прямоугольная декартова система координат на плоскости Две перпендикулярные оси на плоскости с общим началом и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат на плоскости. Одна из этих осей называется осью Ox, или осью абсцисс, другую - осью Oy, или осью ординат. Эти оси называются также координатными осями. Обозначим через Mx и My соответственно проекции произвольной точки М на оси Ox и Oy. Как получить проекции? Проведём через точку М прямую, перпендикулярную оси Ox. Эта прямая пересекает ось Ox в точке Mx. Проведём через точку М прямую, перпендикулярную оси Oy. Эта прямая пересекает ось Oy в точке My. Это показано на рисунке ниже. Координатные оси разбивают плоскость на четыре квадранта, нумерация которых показана на рисунке ниже. На нём же указана расстановка знаков координат точек в зависимости от их расположения в том или ином квадранте. Помимо декартовых прямоугольных координат на плоскости часто рассматривается также полярная система координат. О способе перехода от одной системы координат к другой - в уроке полярная система координат. Декартовы координаты в пространстве вводятся в полной аналогии с декартовыми координатами на плоскости. Три взаимно перпендикулярные оси в пространстве (координатные оси) с общим началом O и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат в пространстве. Одну из указанных осей называют осью Ox, или осью абсцисс, другую - осью Oy, или осью ординат, третью - осью Oz, или осью аппликат. Пусть Mx, My Mz - проекции произвольной точки М пространства на оси Ox, Oy и Oz соответственно. Проведём через точку М плоскость, перпендикулярную оси Ox. Эта плоскость пересекает ось Ox в точке Mx. Проведём через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oy. Эта плоскость пересекает ось Oy в точке My. Проведём через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oz. Эта плоскость пересекает ось Oz в точке Mz. Декартовыми прямоугольными координатами x, y и z точки М будем называть соответственно величины направленных отрезков OMx, OMy и OMz. Величины этих направленных отрезков рассчитываются соответственно как x = x0 - 0, y = y0 - 0 и z = z0 - 0. Декартовы координаты x, y и z точки М называются соответственно её абсциссой, ординатой и аппликатой. Попарно взятые координатные оси располагаются в координатных плоскостях xOy, yOz и zOx. Характеристика поверхностей второго порядка Поверхностью второго порядка называется геометрическое место точек в пространстве, декартовы координаты которых удовлетворяют уравнению F(x,y,z) = 0, где F(x,y,z) – многочлен степени 2. в общем случае уравнение поверхности 2-го порядка имеет вид: a11x2+a22y2+a33z2+2a12xy+2a13xz+2a23yz+2a10x+2a20y+2a30z+a00=0 . Поверхности второго порядка делятся на 1) вырожденные и 2) невырожденные Вырожденные поверхности второго порядка это плоскости и точки, которые задаются уравнением второй степени. Если уравнению второго порядка не удовлетворяет ни одна точка пространства, то тоже говорят, что уравнение определяет вырожденную поверхность (мнимую поверхность второго порядка). Невырожденными поверхности второго порядка подразделяются на пять типов: ЭЛЛИПСОИД, ГИПЕРБОЛОИДЫ, КОНУС, ПАРАБОЛОИДЫ, ЦИЛИНДРЫ. ЭЛЛИПСОД Эллипсоидом называется геометрическое место точек пространства, координаты которых в некоторой декартовой системе координат удовлетворяют уравнению: Система координат, в которой эллипсоид имеет уравнение, называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением эллипсоида. Величины a, b и c называются полуосями эллипсоида. Если все они различны, то эллипсоид называется трехостным. Если две из трех полуосей равны, эллипсоид является поверхностью вращения. Он получается в результате вращения эллипса вокруг одной из своих осей. Каноническое уравнение сферы принято записывать в виде x2 + y2 + z2 = r2, где r – величина полуосей, которая называется радиусом сферы. С геометрической точки зрения, сфера – геометрическое место точек пространства, равноудаленных (на расстояние r) от некоторой фиксированной точки (называемой центром). В канонической системе координат сферы, центр – начало координат. ГИПЕРБОЛОИДЫ Однополостным гиперболоидом называется геометрическое место точек пространства, координаты которых в некоторой декартовой системе координат удовлетворяют уравнению: где a, b, c – положительные константы. Система координат, в которой однополостный гиперболоид имеет уравнение называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением однополостного гиперболоида. Величины a, b и c называются полуосями однополостного гиперболоида. Если a=b, то однополосный гиперболоид является поверхностью вращения. Он получается в результате вращения гиперболы вокруг своей мнимой оси. тоже определяют однополостные гиперболоиды, но они «вытянуты» вдоль оси Oy и Ox соответственно. где a, b, c – положительные константы. Система координат, в которой двуполостный гиперболоид имеет уравнение называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением двуполостного гиперболоида. Величины a, b и c называются полуосями двуполостного гиперболоида. Если a=b, то двуполостный гиперболоид является поверхностью вращения. Он получается в результате вращения гиперболы вокруг своей действительной оси. тоже определяют двуполостные гиперболоиды, но они «вытянуты» вдоль оси Oy и Ox соответственно. Конус Конусом называется геометрическое место точек пространства, координаты которых в некоторой декартовой системе координат удовлетворяют уравнению: Система координат, в которой конус имеет уравнение называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением конуса. Величины a, b и c называются полуосями конуса. Центр симметрии O называется вершиной конуса. Если a=b, то конус является поверхностью вращения. Он получается в результате вращения прямой вокруг оси. Замечание. Уравнения тоже определяют конусы, но они «вытянуты» вдоль оси Oy и Ox соответственно. ПАРАБОЛОИДЫ Эллиптическим параболоидом называется геометрическое место точек пространства, координаты которых в некоторой декартовой системе координат удовлетворяют уравнению: Система координат, в которой эллиптический параболоид имеет уравнение называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением эллиптического параболоида. Величины a и b называются параметрами параболоида. Точка O называется вершиной параболоида. Если a=b, то параболоид является поверхностью вращения. Он получается в результате вращения параболы вокруг оси OZ. определяют эллиптические параболоиды, с осями симметрии Oy и Ox соответственно. Эллиптический параболоид это поверхность, которая получается при движении одной параболы вдоль другой (вершина параболы скользит по параболе, оси подвижной и неподвижной параболы параллельны, ветви направлены в одну сторону). Система координат, в которой гиперболический параболоид имеет уравнение называется его канонической системой координат, а уравнение – каноническим уравнением гиперболического параболоида. Величины a и b называются параметрами параболоида. Замечания: 1) Уравнение тоже определяет параболоид, но «развернутый» вниз. 2) Уравнения определяют параболоиды, «вытянутые» вдоль осей Oz и Oy соответственно. Гиперболический параболоид это поверхность, которая получается при движении одной параболы вдоль другой (вершина параболы скользит по параболе, оси подвижной и неподвижной параболы параллельны, ветви направлены в разные стороны). ЦИЛИНДРЫ Цилиндрической поверхностью (цилиндром) называется поверхность, которую описывает прямая (называемая образующей), перемещающаяся параллельно самой себе вдоль некоторой кривой (называемой направляющей). Цилиндры называют по виду направляющей: круговые, эллиптические, параболические, гиперболические. Цилиндр в некоторой декартовой системе координат задается уравнением, в которое не входит одна из координат. Кривая, которую определяет это уравнение в соответствующей координатной плоскости, является направляющей цилиндра; а образующая – параллельна оси отсутствующей координаты. Самый часто используемый частный случай цилиндрической поверхности – прямого кругового цилиндра с осью OZ В более общем случае любое уравнение не более чем второй степени, не зависящее от одной из координат, задает цилиндрическую поверхность в трёхмерном евклидовом пространстве, например: ; ; ; Однако цилиндры могут быть описаны далеко не только уравнениями такого вида. Литература - Аналитическая геометрия . Курс лекций: С.П. Фиников – Москва, ЛКИ, 2008г.
- Аналитическая геометрия: И.И. Привалов – Москва, Лань, 2008г.
- Дифференциальная геометрия второго порядка и приложения. Теория Мирона-Атанасиу: Г. Атанасиу, В. Балан, Н. Брынзей, М. Рахула – Санкт-Петербург, Либроком, 2010г.
- Минимальные поверхности: - Санкт-Петербург, ФИЗМАТЛИТ, 2003г.
- Ссылка на информационный ресурс - http://websrvop.hq.corp.mmk.chel.su:7777/
|
|
|
Скачать 0.78 Mb.