向量代数与空间解析几何(20)课件

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1、第九章第九章 向量代数与空向量代数与空间解析解析几何几何 第一第一节空空间直角坐直角坐标系与向量的概念系与向量的概念第二第二节 向量的点向量的点积和叉和叉积 第三第三节 平面与直平面与直线第四第四节 曲面与空曲面与空间曲曲线 第一节空间直角坐标系与向量的概念第一节空间直角坐标系与向量的概念 一、空间直角坐标系一、空间直角坐标系1.1.建立空间直角坐标系建立空间直角坐标系在空间中过定点 作三条互相垂直且有相同长度单位的数轴 、 和 ，分别称为 轴、 轴和 轴，也称为横轴、纵轴和竖轴，统称为坐标轴。习惯上，把 轴、 轴放置在水平面上，它们的正方向按右手螺旋法则右手螺旋法则确定（如图8-1），点为

2、坐标原点。这样就构成了空间直角坐标系。 任意两个坐标轴确定一个平面，称为坐标面坐标面，它们是 、 和 坐标面，三个坐标面把空间分成八个部分， 每一部分称为一个卦限卦限，共有八个卦限，其顺序如图8-2所示。2.2.空间直角坐标系中点的坐标空间直角坐标系中点的坐标 我们来建立点与有序数组的对应关系。 设 为空间的任意一点，过点 作垂直于 坐标面的直线，其垂足为 ，过 分别作与 轴、 轴垂直且相交的直线，过 作与 轴垂直且相交的直线，依次得 轴上的三个垂足M、N、R。设 分别是M、N、R点在数轴上的坐标。这样空间內任一点 就确定了唯一的一个有序数组 ，用 表示之。 反之，任给一个有序数组 ，它们分别

3、在上对应点 M，N 和 R。过M 、N并在 坐标面内分别作 轴和 轴的垂线，交于 点；过 作 坐标面的垂线 ，过R作 的垂直相交线得交点 。这样一个有序数组就确定了空间内唯一的一个点 ，而 恰好是点 的坐标。 根据上面的法则，我们建立了空间一点与一个有序数组 之间的一一对应关系。 有序数组 称为点 的坐标（如图8-3），而 分别称为 坐标， 坐标和 坐标。根据点的坐标的规定，可知点 在 轴上，点 在 坐标面上，而点 在 坐标面上。 二、向量的基本概念及其线性运算二、向量的基本概念及其线性运算 1.1.向量的基本概念向量的基本概念 (1).(1).向量和数量向量和数量 量可分为两种：数量数量（或

4、标量标量）只有大小、没有方向； 向量向量（或矢量矢量）不仅有大小还有方向。(2).(2).向量的表示向量的表示 用黑体小写字母表示向量，如 ， ， 等，有时为了书写方便也用 等表示。几何上用有向线段表示，起点为 、终点为 的向量记为 （见图8-4）。 (3).(3).向量的模向量的模 向量的大小称为向量的模，用 等表示（即有向线段的长度）。特别地，模为1的向量称为单位向量单位向量；模为零的向量称为零向量零向量，记为 。规定零向量的方向为任意方向。(4).(4).自由向量、平行向量、相等向量、逆向量自由向量、平行向量、相等向量、逆向量 约定：我们所讨论的向量与起点无关，在保持长度和方向不变的条件

5、下可以自由平移，这种向量称为自由向量自由向量。方向相同或相反的两个向量 和 称为平行向量平行向量，记为： ； 把模相等且方向相同的两个向量 和 称为相等向量相等向量，记为： ； 把与向量 的模相等但方向相反的向量称为 的逆向量逆向量，记为： 。2.2.向量的加法及向量与数的乘法向量的加法及向量与数的乘法(1).(1).向量的加法向量的加法向量 、 的和是以 、 为邻边的平行四边形 的对角线向量 ，记作 。这种用平行四边形对角线求两向量和的方法称为平行四边形法则平行四边形法则。 由图8-5可知， ，所以又有 ，即以第一个向量的终点为起点，做第二个向量 ，连接 ，则 就是 与 的和，并称这种求和方

6、法为三角形法则三角形法则。该法则可以推广到多个向量的求和。 例如求向量 的和时，可将它们平行移动，使其首尾相接，然后以第一个向量的起点为起点，以最后一个向量的终点为终点做向量即为 三向量的和，如图8-6。 向量的加法满足如下运算规律： （交换律）； （结合律）； ； 。 (2).(2).向量的减法向量的减法 向量的减法可作为加法的逆运算：如果 ，则 。将 与 平移使它们的起点重合，则由 的终点到 的终点作一向量（方向指向被减向量 ）就是 （见图8-7）。 (3).(3).数与向量的乘积数与向量的乘积 定义定义：设 为一实数，向量 与数 的乘积是一个向量，记作 ，并且规定： ； 当 时： 与 同

7、向；当 时： 与 反向； 当 时， （零向量）。 数与向量的乘积是一种新的运算，常称为数乘向量数乘向量，其结果为一新向量；数乘向量满足如下的运算规律运算规律（ 为实数）： （结合律）； （对数的加法的分配律）； （对向量的加法的分配律）。有了数乘向量，便容易表示出向量的单位向量： 把与向量 同向且模为1的向量称为 的单位向量单位向量，记为 ， 显然有 或 。 三、向量的坐标表示法三、向量的坐标表示法 1 1向径及其坐标表示向径及其坐标表示 （1 1）向径）向径起点在坐标原点 ，终点为 的向量 称为点 的向径向径（也称为点 的位置向量），记为 或 。 （2 2）基本单位向量）基本单位向量 在坐标

8、轴上分别与 轴、 轴、 轴方向相同的单位向量称为基基本单位向量本单位向量，分别用 、 、 表示。 （）向径的坐标表示（）向径的坐标表示若点 的坐标为 ，则向量 ， ， ，由向量的加法法则有： （见图8-8）。即点 的向径 的坐标表达式为： 。还可简记为 ，即 。 2 2向量向量 的坐标表达式的坐标表达式 设有点 、 ，则以 为起点、以 为终点的向量： ，又因为 、 均为向径，所以 ， ，于是有： ，这就是说 ： 。3 3向量向量 的模的模任给一向量 ，都可将其视为以点 为终点的向径，由上图（图8-8）不难看出 ，即 ，亦即 向量 的模： 。 4.4.空间两点间的距离公式空间两点间的距离公式 点

9、 与点 间的距离记为 ，则 ，而 ，所以得： 。 例例1 1（1）写出点 的向径； （2）写出起点为 ，终点为 的向量的坐 标表达式。 解解 （1） 。（2） 。 例例2 2 已知两点 、 ，求这两点间的距离 。 解解 由两点间的距离公式，得 。例例在 轴上求与点 、 等距离的点。 解解 设所求点为 ，由条件 ，有： ，即 ，两端平方得 ，也即 ，故所求点为 。 5.5.坐标表示下的向量运算坐标表示下的向量运算 设 ， ，则有： （1） ； （2） ； （3） ； （4） ； （5） 。 证明从略。 第二节第二节 向量的点积和叉积向量的点积和叉积 一、向量的点积（数量积）一、向量的点积（数量积

10、） 1 1引例引例 已知力 与 轴正向夹角为 ,其大小为 ，在力 的作用下，一质点 沿 轴由 点( )移动到 点( )(如图8-9），求力 所做的功？解解 力 在水平方向的分力大小为 ，所以，力 使质点 沿 轴方向(从 到 )所做的功为： (1)注意到 ， ，所以(1)式可写成: (2)点积的定义点积的定义定义定义1 1 设向量 与 之间夹角为 （ ），则称实数 为 与 的点积点积（或数量积数量积），并用记号 表示，即 = 特别，零向量与任何向量的点积显然为0（即为数零）。注意，我们约定两向量 与 间的夹角的范围是 于是由定义1即可得：3 3点积满足的运算规律点积满足的运算规律由点积的定义容易

11、验证点积满足下列运算规律： (1) （交换律）； （2） （分配律）；（3） （结合律）。显然 ， 且可得到以下结论定理定理1 1 两个非零向量 与 垂直（记为 ）的充分必要条件为 。证明证明（见书）。 由此定理可得到： , , ；另有 , , 。4点积的坐标表示式点积的坐标表示式 则 由此可得上述两非零向量垂直的充分必要条件又可表为：另外，由 ,可得两向量，夹角的余弦公式：例例 试证向量 , 是互相垂直（即正交）的证明证明 因为 ，所以由定理1知与互相垂直。例例2 设向量 与 x 轴、y 轴、z 轴正向的夹角分别为 ， ， ，称其为向量 的三个方向角，并称 、 、 为向量 的方向的余弦，试证

12、： , , ，并且 = 1证明证明 因为 ， ， ，而单位向量 ， ， 的坐标表达式分别为 ， ， 于是有： ， , = 例例3 已知三点 , , ,解解 , , , 故 ,二、向量的叉积二、向量的叉积( (向量积向量积) )1 1引例引例设设 点为一杠杆的支点点为一杠杆的支点 ,力力 作用于杠杆上点 处，求力 对支点 的力矩 .解解 根据物理学知识，力 对点 的力矩是向量 ,其大小为 ，其中 为支点 到力 的作用线的距离, 为矢量 与 的夹角（如图8-10）力矩 的方向规定为：伸出右手，让四指与大拇指垂直，并使四指先指向 方向 ，然后让四指沿小于 的方向握拳转向力 的方向，这时拇指的方向就是

13、力矩 的方向因此，力矩 是一个与向量 和向量 有关的向量，其大小为 ，其方向满足：（1） 同时垂直于向量 和 ；（2）向量 ， ， 依次符合右手螺旋法则2叉积的定义叉积的定义定义定义2 两个向量 和 的叉积（也称为向量积）是一个向量，记作 ，并规定如下： （1） ； （2） 的方向规定为： 既垂直于 又垂直于 ，并且按顺序 ， ， 符合右手螺旋法则（如图8-11）若把 ， 的起点放在一起，并以 ， 为邻边作一平行四边形，则向量 与 的叉积的模 即为该平行四边形的面积（如图8-12） 3 3叉积满足的运算规律叉积满足的运算规律由叉积的定义可得叉积满足下列运算规律：（1） （反交换律： 与 模相等

14、，方向相反）（2） （与数因子的结合律）（3） （左分配律） （右分配律）定理定理2 两个非零向量 、 平行的充要条件是 证明证明（见书）由此定理可得： ， ， ； ， ， ， ， ， 4叉积的坐标表示式叉积的坐标表示式设 ， ，则 = = = 注意注意 利用三阶行列式，上式可写成 由于两个向量 与 平行的充分必要条件是 ，而 就是 的坐标全为零,即 ， ， 于是得： ， ， 。所以两个非零向量 与 平行的充分必要条件是： 例例4 设 ， ，求 解解 = = = 例例5 求垂直于 与 的单位向量 解解 设 ，则 ， ，由 而 故得所求单位向量为 例例6 已知三点 ， ， ，求 的面积 。解解

15、因为 sin( )，其在几何上表示以 ， 为邻边的平行四边形的面积，且 ， ，则有： 故 例例7 设 ，如果 与 平行，且已知 ，求 解解 设 ， ，则有 ，从而得 ， ， ，又 又 即 ， ，所以 ， ， 故所求 (4)(4)曲边梯形的曲边由参数方程给出的情形： 如果曲边梯形的曲边由参数方程 给出，其中当 到 时，参数 相应地从 变到 ，而 连续，且恒有 （ ），则曲边梯形面积为： 。.这里 与 分别是曲边的两个端点所对应的参数值。 例例3 3 计算椭圆 的面积 。解解 由于椭圆关于两坐标轴对称（图7-6），所以 ，其中 是椭圆位于第一象限部分的面积。 椭圆的参数方程为 ，且当 时， ； 时

16、， 。按公式，得所求面积为： 。2 2极坐标情形极坐标情形 设由平面曲线 （ ）及两条射线 围成一平面图形（图7-7），这种图形称为“曲边扇形曲边扇形”。 下面推导在极坐标系下“曲边扇形”的面积公式。 取 为积分变量，其变化区间为 。于微小区间 上，以小圆扇形面积（图7-7中的阴影部分）作为小曲边扇形面积的近似值，得面积微元为： 。再积分，便得所求的曲边扇形面积为： . 例例4 4 求双纽线 所围成的图形面积（图7-8）。 解解 由图形的对称性，只需求其在第一象限中的面积，然后再4倍即可。在第一象限 的变化范围为 ，于是由公式 即得所求图形的面积为： 。 例例5 5 求心形线 及圆 所围成的阴

17、影部分面积（图7-9）。 解解 先求两线交点，以确定 的变化范围，解方程组 ，得 。由图形的对称性，得所求面积为： 二体积二体积1 1平行截面面积为已知的立体体积平行截面面积为已知的立体体积设一物体被垂直于某直线的平面所截的面积可求，则该物体可用定积分求其体积。对于一个空间立体，不妨设它与轴线 轴相垂直的平面的截面面积 （ ）是一已知的连续函数，如图7-10，则可求得该立体介于 和 之间的体积。 在微小区间 上视 不变，得体积微元 ，再对 在 上积分，则得体积公式： . 例例6 6 设有底圆半径为 的圆柱，被一与圆柱地底面交成 角且过底圆直径的平面所截，求截下的楔形体积(图7-11) 。 解解

18、 取坐标系如图，则底圆方程为： 。 取 为积分变量，其变化区间为 。 在 的任一点 处垂直于 轴作立体的截面，得一直角三角形，两条直角边分别为 及 ，即 及 。 此直角三角形面积为 ，从而根据公式，即得楔形体积为： 。2 2旋转体体积旋转体体积 旋转体是由某平面内的一个图形绕该平面内的一条定直线旋转一周而成的立体，这条定直线称为旋转体的轴。 设一旋转体是由连续曲线 和直线 及 轴所围成的曲边梯形绕 轴旋转而成(图7-12)，下面来求它的体积 。 这时截面面积 是圆面积， 。在 的变化区间 上积分，得旋转体体积为： .类似地，由曲线 和直线 及 轴所围成的曲边梯形绕 轴旋转，所得旋转体体积(图7

19、-13)为： 例例7 7 求由椭圆 所围成的图形绕 轴旋转而成的旋转椭球体体积(图7-14)。 解解 旋转椭球体可看作由上半椭圆及 轴围成的图形绕 轴旋转而成的，于是由公式可得所求体积为： 。 例例8 8 求圆 绕 轴旋转一周所成的旋转体(环体)的体积(图7-15)。 解解 将圆方程改写为 ，右半圆弧 方程为 ，左半圆弧方程为 ，环体是这两个半圆在 轴的区间 上所围成的曲边梯形绕轴旋转所得体积之差，于是得体积微元为： 从而由公式可得环体体积为： 。三平面曲线的弧长三平面曲线的弧长 1 1在直角坐标系中的计算在直角坐标系中的计算 设曲线 具有一阶连续导数 ，现要求该曲线上从 到 的一段弧 的长度

20、 (图7-16)。 取 为积分变量，它的变化区间为 。在 上任取微小区间 ，则曲线在 上的小弧段 的长度可以用曲线在点 处的切线相应于 上的切线段 来近似代替，于是得弧长微元为： 这里 也即弧微分公式。 最后在 积分，就得所求弧长： 2 2曲线由参数方程表达时的计算曲线由参数方程表达时的计算 设曲线的参数方程为 ，当 时，所对应的点就是曲线上的 点，又 在 上有一阶连续导数，我们来计算曲线弧 的长度 。 取 为积分变量，它的变化区间为 。在 上任取微小区间 ，则曲线相应于 的小弧段长度 的近似值是弧微分，即这时弧长微元为 ,从而所求弧长为： .注意注意 (1) 计算弧长时，由于被积函数都是正的

21、，因此为使弧长为正，定积分定限时要求下限必须小于上限；(2)由于弧长公式中被积函数比较复杂，所以代公式前，要将部分充分化简后再求积分。 例例9 9 两根电线杆之间的电线，由于自身重量而下垂成曲线，这一曲线称为悬链线，已知悬链线方程为 ，求从 到 这一段的弧长(图7-17)。 解解 先求导： ，于是弧长微元为： 故由公式得悬链线的所求弧长为： 。例例1010 求摆线 在 的一拱的弧长 。 解解由于在 上， ，故由公式可得这一拱摆线长为： 。 第三节第三节 平面与直线平面与直线一、平面的方程一、平面的方程1.平面的点法式方程平面的点法式方程（1 1）. .法向量法向量如果一个非零向量垂直于一个平面

22、，则称此向量为该平面的法（法（线）向量）向量。（2 2）. .平面的点法式方程平面的点法式方程已知点 为平面 上一点，向量 为平面 的法向量，求平面 的方程。设点为 平面 上任意一点，连结 成向量 （见图8-13）。 由于平面 的法向量 垂直于 上任一直线，故有 ，从而得到 ，即有 ，于是得方程为： （1）显然平面 上任一点满足方程（1）；反之，若点 不在平面 上，则 不垂直 ，从而 ,即点 的坐标不满足方程（1），故方程（1）是平面 的方程。平面 是方程（1）的图形，我们称这种由平面 上一定点和其法向量所确定的平面方程为平面的点法式方平面的点法式方程程。例例1 1 求过点 且垂直于向量 的平

23、面方程。解解 由公式（1）得所求平面方程为 ，即 。例例2 2 求过三点 , , 的平面方程。 解解 ， ，设 ,则 ， ,即 垂直于所求平面，从而有： 故所求平面为 ,即 。2.2.平面的一般方程平面的一般方程由上面的讨论可以看出，任一平面方程都是三元一次方程。反之，任一三元一次方程 (2)的图形必为平面。 这是因为任取满足方程（2）的一组数 ，有: （3）式（2）式（3），得 , 这是过点 且法向量 的平面方程，即任一三元一次方程的图形是一平面。我们称方程为平面的一般（式）方程平面的一般（式）方程，其中 。 下面研究几种特殊位置的平面方程：（1）若 ，则平面一般方程变为 ,由 于点满足方程

24、，故它表示通过原点的平面。2）若 ，则方程化为 ，即平面法向量 在轴上投影为0，故 垂直 轴，所以平面平行于 轴；若 , ,则平面过 轴。同理，平行于 轴和 轴的平面方程分别为： , ；通过 轴和 轴的平面方程分别为： ， ；（3）若 ， ，则平面方程化为 ，故平面平行于 轴及 轴，因而该平面平行于 坐标面。 ， ， 分别为 ， ， 坐标面。 注意注意 平面方程中若缺 中的某一项，则平面就平行或 通过（ 时）那项所对应的坐标轴；若缺其中两项，则平面就平行或重合（ 时）于那两项所决定的平面。例例3 3 求通过 轴和点 的平面方程。解解 由所给条件，设所求平面方程为 ,由点 在平面上，所以有 ,

25、,代入方程 ,得 ，又显然 ，故得所求平面方程为:例例4 4 求过点 ,且平行于 ， 的平面方程。解解 设平面的法向量为 ，由条件 ， ，所以可取： ,故所求平面方程为 , 。类似例2可得，过点 , , 的平面方程为 ，我们称之为平面的截距式方程平面的截距式方程。其中 分别为平面在 轴， 轴， 轴上的截距截距（如图8-14）。例例5 5 求在 轴， 轴， 轴上的截距分别为3，-1，2的平面方程。 解解 由条件知所求平面方程为 。例例6 6 一平面过点 ，且与平面 平行，求该平面方程。解 由条件知所求平面的法线向量 平行于平面的法线向量 ，故可取：由法点式得所求平面方程为: ,即 。例例7 7

26、一平面过点 ， ，且与平面 垂直，求该平面的方程。解解 平面 的法向量 ，显然所求平面的法向量 ， ，故可取： 由点法式得所求平面方程为 ，即 。在这里，我们规定两平面法向量间的夹角为两平面的夹角两平面的夹角。例例8 8 求两平面 与 的夹角 。解解 已知 ， ，故于是得夹角 。二、直线的方程二、直线的方程1.1.直线的点向式方程及参数式方程直线的点向式方程及参数式方程（1 1）. .直线的方向向量直线的方向向量如果一个非零向量平行于一条已知直线，则称这个向量为该直线的方向向量方向向量。（2 2）. .直线的点向式方程（标准式方程）直线的点向式方程（标准式方程）已知向量 （ 不全为零）和一定点

27、 ，求经过点 且与平行的直线方程。设 是所求直线上的任意一点，由条件 ，而 ， （如图8-15），由二非零向量平行的充分必要条件得： (4) 方程组（4）称为直线的点向式方程直线的点向式方程（也称为直线的标准式方直线的标准式方程程）。注意注意 因为 ，所以 不全为零。若其中有一个为零，例如 时，（4）式应理解为 而当有两个为零时，例如 ,（4）式应理解为 例例9 9 求过两点 ， 的直线方程。解解 所求直线的方向向量为：由直线的点向式方程得所求直线方程为（3 3）。直线的参数式方程）。直线的参数式方程设一一直线的点向式方程为： ， 于是有 ， ， ，即有（t为参数） (5)我们称方程组（5）为

28、直线的参数式方程参数式方程。2 2。直线的一般式方程。直线的一般式方程空间直线也可看作两个平面的交线，所以可用这两个平面方程的联立方程组来表示直线的方程，即： (6)方程组（6）称为直线的一般式方程一般式方程，也称为直线的面交式方程面交式方程 。注意注意 只有两个平面不平行时才会有交线。 3.3.直线一般式方程与点向式方程的相互转化直线一般式方程与点向式方程的相互转化（1 1）. .一般式方程化为点向式方程一般式方程化为点向式方程由直线的一般式方程化为点向式方程，可先求出满足式（6）的任意一组解 ，则点 即为直线上的点；由于直线的方向向量 与两平面的法向量 ， 都垂直，所以可选 。由点 及方向

29、向量 可把直线的一般式方程化为点向式方程。例例1010 把直线的一般式方程 化为点向式方程。解解 由条件知两平面的法向量分别为： ，设所求直线的方向向量为 ，则 ， 故取，即 再求直线上的一定点A，取 ，得 解得 ， ，即 在直线上，故得直线点向式方程为 。（2 2）. .点向式方程化为一般式方程点向式方程化为一般式方程由直线的点向式方程化为一般式方程，只需将点向式方程的两个等号所联接的式子写成两个平面方程，再联立即可。 即 变形后，得： ，此即为直线的一般式方程。 例例1111 求过点 且与直线 平行的直线方程。解解 因所求的直线与已知直线平行，故所求直线的方向向量可取为 =2，3，-5 ，

30、于是得到所求直线的标准方程为： 例例12 12 求过点M (2，1，2 )且与两平面2x + y + z + 1= 0和x + yz2= 0都平行的直线方程。解解 因所求直线与两已知平面平行，故所求直线的方向向量 与两已知平面的法向量 ， 垂直，即 , ,故取 ， 即 ， 于是得所求直线方程为 。4 4。两直线的夹角。两直线的夹角两直线方向向量间的夹角称为两直线的夹角。例例1313 求直线 和 间的夹角。解解 直线L1，L2的方向向量分别为 ， ，故两直线间的夹角 的余弦为： 所以 。例例1414 求过点A (1，1，0)和直线 的平面方程。解解 显然点 在平面上，设所求平面法向量为 ，则 ，

31、 ，其中 ， ，从而 故所求平面方程为 ，即例例1515 求过直线 且与平面 垂直的平面方程。解解 显然已知直线的方向向量 ，已知平面的法向量 ，设所求平面法向量为 ，则 ，于是取 ，又所求平面过已知直线上的点 ，故所求平面方程为： 即 。 三、直线与平面的位置关系三、直线与平面的位置关系直线与它在平面上的投影线间的夹角 ，称为直线与直线与平面的夹角平面的夹角。设直线 L 的方向向量为 ，平面 的法向量为 ，向量 与 间的夹角为 （如图8-16）， 则 ， ，所以 。 例例16 16 讨论直线L： 和平面 ： 的位置关系。解解 由于直线L的方向向量 ，平面 的法向量 ，所以，直线L与平面 的夹

32、角 的正弦： 所以 ，即直线L与平面 平行或直线L在平面 内。容易验证直线L上的点 在平面 上，所以直线L在平面 上。第四节第四节 曲面与空间曲线曲面与空间曲线 一、曲面方程的概念一、曲面方程的概念 定义定义 如果曲面上每一点的坐标都满足方程 ，而不在曲面 上的点的坐标都不满足这个方程，则称方程方程 为曲面 的方程，而称曲面曲面 为此方为此方程的图程的图形形。例例1 1 求与两定点 ， 等距离的点的轨迹方程。解解 设 为轨迹上的点，按题意有： ， = ，化简得： 因此在轨迹上的点的坐标满足上述方程，而不在轨迹上的点的坐标不满足该方程，所以它就是所求点的轨迹方程。该方程是 的一次方程，它表示一个

33、平面。例例2 2 求球心在 ，半径为R的球面方程。解解 设定点 的坐标为 ，则点 在以 为球心，以R为球半径的球面上的充要条件为 即 。 两边平方，得 显然，球面上的点的坐标满足方程，不在球面上的点的坐标不满足方程，所以方程就是以 球心，以R为球半径的球面方程。 时，则得球心在坐标原点的球面方程为： 二、母线平行于坐标轴的柱面二、母线平行于坐标轴的柱面1.1.定义定义 直线L沿定曲线C平行移动所形成的曲面称为柱面柱面；定曲线C称为柱面的准线准线，动直线L称为柱面的母线母线（见图8-17）。2.2.柱面方程柱面方程本节我们只讨论准线在坐标面上，而母线垂直于该坐标面的柱面，先看一个具体问题。设一个

34、圆柱面的母线平行于z轴，准线C是 平面上以原点为圆心，R为半径的圆，即准线C的方程为 ，试求。在圆柱面上任取一点 ，过点的母线与 平面的交点 一定在准线C上（见图8-18），所以不论点M 的坐标中的 z 取什么值，它的横坐标 x 和纵坐标 y 必定满足方程 ;反之，不在圆柱面上的点，它的坐标不满足这个方程，于是所求柱面方程为 。注意注意 在平面直角坐标系中，方程 表示一个圆，而在空间直角坐标系中，方程 表示一个母线平行于z轴的圆柱面。 一般来说，如果柱面的准线是 面上的曲线C，它在平面直角坐标系中的方程为 ，那么，以C为准线，母线平行于z轴的柱面方程就是 。相仿地，方程 表示母线平行于 x 轴

35、的柱面；方程 表示母线平行于y轴的柱面。于是，我们有结论结论：在空间直角坐标系 下，二元方程必为柱面方程二元方程必为柱面方程，且方程中缺哪个变量，该柱面的母线就平行于哪一个坐标轴。例如：方程 表示母线平行于轴的椭圆柱面，方程 表示母线平行于轴的双曲柱面，方程 表示母线平行于轴的抛物柱面，以上三个方程都是二次的，因此称其为二次柱面二次柱面（见图8-19、8-20、8-21）。三、旋转曲面三、旋转曲面1.1.定义定义 一平面曲线C 绕同一平面上的一条定直线L 旋转一周所形成的曲面称为旋转曲面旋转曲面；其中曲线C 称为旋转曲面的母旋转曲面的母线线，直线L称为旋转曲面的轴旋转曲面的轴（或称旋转轴旋转轴

36、）。.旋转曲面方程旋转曲面方程我们本节主要讨论母线在某个坐标面上，旋转轴是该坐标面上的一条坐标轴的旋转曲面。设在 平面上有一条已知曲线C，它方程是：求此曲线C 绕轴旋转一周所形成的旋转曲面的方程（见图8-22）。 在旋转曲面上任取一点 ，设这点是由母线上点 绕轴旋转一定角度而得到。由图8-22可知，点 与z 轴的距离等于点与z轴的距离，且有同一竖坐标，即 , ,又因为点 在母线C 上， 所以 ，于是有： 。旋转曲面上的点都满足方程 ，而不在旋转曲面上的点都不满足该方程，故此方程是母线为 C ，旋转轴为z 轴的旋转曲面的方程。可见，只要在 坐标面上曲线C 的方程中，将 y 换成 ，就得到曲线C

37、绕轴旋转的旋转曲面方程。同理，曲线C 绕y 轴旋转所成的的旋转曲面方程为对于其它坐标面上的曲线，绕该坐标面上任何一条坐标轴旋转所生成的旋转曲面，其方程可以用上述类似方法求得。例例3 3 求由 平面上的直线 绕z轴旋转所生成的旋转曲面方程。解解 在 中，把 y 换成 ，得所求方程为 ，即 ，此曲面为顶点在原点，对称轴为轴的圆锥面（见图8-23）。四、二次曲面四、二次曲面由上一节已知，在空间直角坐标系中，若方程 是一次方程，则它的图形必是一个平面。平面也称为一次曲面平面也称为一次曲面；若方程 是二次方程，则它的图形称为二次曲面二次曲面。 对于空间曲面方程，我们一般地用一系列平行于坐标面的平面去截曲

38、面，从而求得一系列的交线，对这些交线进行综合分析就可了解曲面的形状和特征，这种方法称为截痕法截痕法。下面我们就用截痕法研究几个常见的二次方程所表示的二次曲面的形状和特征。1.1.椭球面椭球面方程 所表示的曲面称为椭球椭球面面，其中a、b、c称为椭球面的半轴。由方程 可知 ，即 由此可见，该曲面包含在 ， ， 这六个平面所围成的长方体内。现用截痕法来考察这个曲面。 用 坐标面 和平行于 坐标面的平面 去截曲面，其截痕分别为椭圆，且 由0逐渐增大到C时，椭圆由大变小，逐渐缩为一点。同样用 坐标面与平行于 坐标面的平面去截曲面和用 坐标面与平行于 坐标面的平面去截曲面，它们的交线与上述结果类同。综上

39、我们可知方程 所表示的曲面形状如图8-25所示。当 时原方程化为 ，它是一个椭圆绕轴旋转而成的旋转椭球面旋转椭球面。由方程 知 ，故曲面在 坐标面的上方。 用 坐标面去截曲面 ，截痕是一点 ，称为此椭圆抛物面的顶点。用平行于 坐标面的平面 截此曲面，其交线为 平面上的椭圆，且当 h 增大时，椭圆的半轴也随之增大。若用平面 或 截曲面，其交线分别为抛物线。综合上面的讨论可得椭圆抛物面的形状如图8-26所示。当 时，原方程化为 ，它是由抛物线绕 z 轴旋转而成，称为旋转抛物面旋转抛物面。类似的讨论可得方程 和 所表示的图形。这里所表示的曲面称为单叶双曲面单叶双曲面。其图形如图8-27所示；而方程

40、所表示的曲面称为双叶双曲面双叶双曲面，其图形如图8-28所示。五、空间曲线及其在坐标面上的投影五、空间曲线及其在坐标面上的投影1.1.空间曲线的一般式方程空间曲线的一般式方程第三节中我们曾经把空间直线看作是两平面的交线，类似地，也可以把空间曲线看作是两张曲面可以把空间曲线看作是两张曲面的交线的交线。设 曲面的方程是 ，曲面 的方程是 ，则其交线 C 上的点必定同时满足 ， 的方程。不在 C 上的点一定不能同时满足这两个方程。 因此，联立方程组 即为空间曲线C 的方程，它称为空间曲线的一般式方程一般式方程。 2.2.投影柱面及投影曲线投影柱面及投影曲线设空间曲线C 的方程为 ,过曲线C 上的每一

41、点作 坐标面的垂线，这些垂线形成了一个母线平行于轴且过曲线C的柱面，称此柱面为曲线C 关于 面的投影柱面投影柱面。这个柱面与 面的交线称为曲线C 在 面上的投影曲线投影曲线，简称投影投影。 3.3.投影曲线方程投影曲线方程在方程组 中消去变量 Z，得方程 。上述方程缺变量Z，所以它是一个母线平行于 Z轴的柱面。又因为C上的点的坐标满足方程组 ,当然也满足方程 ，所以C上的点都在此柱面上。方程 就是曲线C 关于 面的投影柱面方程。它与 面的交线 就是C 在 面上的投影方程。同理，若分别从方程组 中消去变量x或y，分别得 方程 或 ，则曲线C 在 面与 面的投影方程分别为 与 。例例5 5 求曲线 在 面上的投影方程， 并问它在 面上是怎样一条曲线？解解 消去z变量得 ，这是曲线C关于 坐标面的投影柱面方程，所以曲线C在 坐标面上的投影方程为 ,它是 坐标面上的一个圆（见图8-29）。 例例6 6 求空间曲线C 在 坐标面上的投影曲线方程。解解 由所给方程组消去 Z 即得曲线 C 关于 坐标面的投影柱面方程为 ，此柱面与 坐标面的交线： 即为曲线C在坐标面的投影曲线（见图8-30）。