Цилиндрические поверхности

Поверхность, составленная из всех прямых, пересекающих данную линию L и параллельных данной прямой l, называется цилиндрической поверхностью. При этом линия L называется направляющей цилиндрической поверхности, а каждая из прямых, составляющих эту поверхность и параллельных прямой - образующей. В дальнейшем мы будем рассматривать только такие цилиндрические поверхности, направляющие которых лежат в одной из координатных плоскостей, а образующие параллельны координатной оси, перпендикулярной этой плоскости. Рассмотрим в плоскости Оху некоторую линию L, имеющую в системе координат Оху уравнение:

F(x,y)=0, (4)

Построим цилиндрическую поверхность с образующими, параллельными оси Oz, и направляющей L . Покажем, что уравнение этой поверхности есть уравнение (4), если его отнести к системе координат в пространстве Oxyz. Пусть М (х; у; z) -любая фиксированная точка построенной цилиндрической поверхности. Обозначим через N точку пересечения направляющей L и образующей, проходящей через точку М. Точка N, очевидно, есть проекция точки М на плоскость Оху. Поэтому точки М и N имеют одну и ту же абсциссу х и одну и ту же ординату у. Но точка N лежит на кривой L, и ее координаты х и у удовлетворяют уравнению (4) этой кривой. Следовательно, этому уравнению удовлетворяют и координаты точки М (х; у; z), так как оно не содержит z. Таким образом, координаты любой точки М (х; у;z) данной цилиндрической поверхности удовлетворяют уравнению (4). Координаты же точек, не лежащих на этой поверхности, уравнению (4) не удовлетворяют, так как эти точки проектируются на плоскость Оху вне кривой L. Таким образом, не содержащее z уравнение F(x, y) = 0, если его отнести к системе координат в пространстве Oxyz, является уравнением цилиндрической поверхности с образующими, параллельными оси Oz, и направляющей L, которая в плоскости Оху задается тем же уравнением F (х, у) = 0.

В пространстве Оху направляющая L определяется системой двух уравнений:

(5)

Рис.1.

Алогично можно показать, что уравнение F (x, z) = 0, не содержащее у, и уравнение F (у, z) = 0, не содержащее х, определяют в пространстве Oxyz цилиндрические поверхности с образующими, параллельными соответственно осям Оу и Ох.

Рассмотрим примеры цилиндрических поверхностей.

1. Поверхность, определяемая уравнением

. (6)

является цилиндрической и называется эллиптическим цилиндром (рис. 2). Ее образующие параллельны оси Oz, а направляющей является эллипс с полуосями а и Ь, лежащий в плоскости Оху. В частности, если a = b, то направляющей является окружность, а поверхность является прямым круговым цилиндром. Его уравнение

х² + у² = а².

2.Цилиндрическая поверхность, определяемая уравнением

. (7)

называется гиперболическим цилиндром (рис. 3). Образующие этой поверхности параллельны оси Оу, а направляющей служит расположенная в плоскости Охz гипербола с действительной полуосью a и мнимой полуосью b.

Рис.2 Рис.3

Рис.4.

3. Цилиндрическая поверхность, определяемая уравнением

= 2pz, (8)

Называется параболическим цилиндром (рис.4). Ее направляющей является парабола, лежащая в плоскости Oyz, а образующие параллельны оси Ох.

Замечание. Как известно, прямая в пространстве может быть задана уравнениями различных пар плоскостей, пересекающихся по этой прямой. Подобно этому кривая в пространстве может быть задана с помощью уравнений различных поверхностей, пересекающихся по этой кривой. Например, окружность С, получающаяся в сечении плоскостью z = 3 сферы = 25 , может быть задана системой уравнений

(9)

С другой стороны, эта окружность может быть получена как линия пересечения плоскости z = 3 и прямого кругового цилиндра .

В дальнейшем, исследуя форму той или иной поверхности с помощью сечений, параллельных координатным плоскостям, мы не разбудем пользоваться цилиндрическими поверхностями, проектирующими эти сечения на координатные плоскости. Это позволит так же, как в рассмотренном примере, судить о размерах и форме указанных сечений, а тем самым и о форме исследуемых поверхностей.

Конические поверхности.

Поверхность, составленная из всех прямых, пересекающих данную линию L и проходящих через данную точку Р, называется конической поверхностью. При этом линия L называется направляющей конической поверхности, точка Р - ее вершиной, а каждая из прямых, составляющих коническую поверхность, образующей.

В качестве примера рассмотрим коническую поверхность с вершиной в начале координат, для которой направляющей является эллипс:

(10)

с полуосями а и b, лежащий в плоскости Z = c. Эта поверхность называется конусом второго порядка. Выведем ее уравнение.

Рассмотрим произвольно выбранную точку М (х; у; z ) конической поверхности и проведем через нее образующую ОМ, пересекающуюся с направляющей в точке N (X; Y; с) (рис. 5). Составим уравнение прямой ОМ, проходящей через точки 0 (0; 0; 0) и N (X; У; с)

или .

Отсюда X = cx/z; Y = cy/z. Подставив эти выражения во второе из уравнений эллипса (11), получим , или, после преобразования, .

Мы получили уравнение конуса второго порядка. В частности, если а = b, то направляющей является окружность

а поверхность является прямым круговым конусом. Его уравнение

. (11)

Рис6 Рис. 5

Поверхность вращения.

Пусть линия L, лежащая в плоскости Oyz, задана уравнениями

(12)

Рассмотрим поверхность, образованную вращением этой линии относительно оси Оz (рис. 6). ( Текущие координаты линии L мы обозначаем большими буквами X, Y в Z, чтобы отличить их от текущих координат х, у, z поверхности вращения.)

Эта поверхность называется поверхностью вращения. Найдем ее уравнение. Пусть М (х; у; z) - произвольно выбранная точка поверхности вращения. Проведем через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oz, и обозначим точки пересечения этой плоскости с осью Oz и кривой L соответственно через К и N. Отрезки КМ и KN являются радиусами одной и той же окружности. Поэтому КМ = KN. Но длина отрезка KN равна абсолютной величине ординаты Y точки N, т. е. KN = |Y|, a KM = OP = . Следовательно,

| Y |= или Y = . Кроме того, аппликата Z точки N, очевидно, равна аппликате z точки М.

Так как точка N лежит на линии L, заданной уравнениями (12), то координаты Y и Z точки N удовлетворяют второму из этих уравнений. Подставляя в него вместо Y и Z, соответственно, равные им величины и z, получим уравнение:

, (13)

которому удовлетворяют координаты любой точки М (х; у; z) поверхности вращения. Можно показать, что координаты точек, не лежащих на этой поверхности, уравнению (13) не удовлетворяют. Таким образом, уравнение (13) является уравнением поверхности вращения относительно оси Оz линии L, определяемой уравнениями (12). Уравнение (13) получается из второго уравнения системы (12) заменой в нем координат Y и Z координатами х, у и z по формулам:

(14)

Замечание. Мы считали, что кривая L задана в плоскости Oyz и вращается относительно оси Oz. Однако кривая L может быть задана и в другой координатной плоскости и может вращаться относительно другой координатной оси. Формулы, подобные формулам (12), (13) и (14), легко составить.

Пример. Найти уравнение поверхности вращения эллипса

относительно оси Оz.

Решение. Записав уравнение эллипса в виде

и заменяя в нем по формулам (14) Y и Z текущими координатами х, у и z поверхности вращения, получим искомое уравнение , или

Полученная поверхность называется эллипсоидом вращения.

5. Эллипсоид.

Поверхность, определяемая уравнением

. (15)

Называется эллипсоидом. Числа а, b и с называются полуосями эллипсоида. Так как в уравнение (15) текущие координаты входят в четных степенях, то эллипсоид симметричен относительно координатных плоскостей. Чтобы установить форму эллипсоида, будем пересекать его плоскостями, параллельными координатным плоскостям. Покажем, что если пересечь эллипсоид плоскостью z = h (| h | < с), то в сечении получится эллипс L. В самом деле, исключая из уравнений

аппликату z, получим уравнение цилиндрической поверхности, проектирующей сечение L на плоскость Оху:

, или

Рис..7.

Из этого уравнения видно, что кривая L есть эллипс с полуосями

, . (16)

Из формул (16) видно, что с возрастанием |h| полуоси эллипса а и b уменьшаются. При |h|=c имеем , и сечение вырождается в точку. При |h|>с эллипсоид с плоскостью z = h, очевидно, не пересекается. Аналогично можно показать, что при пересечении эллипсоида плоскостями х = h (| h | < а и y = h (| h | < b ) также получатся эллипсы. Эллипсоид имеет вид, изображенный на рис. 7. В частном случае при а = b получаем эллипсоид вращения

. (17)

Если все три полуоси равны между собой, с = b = а, то получится сфера + y² + z² = а².

Гиперболоиды.

Поверхность, определяемая уравнением

. (18)

называется однополостным гиперболоидом. Эта поверхность имеет три плоскости симметрии - координатные плоскости, так как текущие координаты х, у и z входят в уравнение (18) в четных степенях. Пересекая однополостный гиперболоид плоскостью у = 0, получим лежащую в плоскости Oxz гиперболу ABCD (рис. 8)

Аналогично, в сечении однополостного гиперболоида плоскостью х = 0 получится гипербола EFGH

лежащая в плоскости Oyz.

При пересечении однополостного гиперболоида плоскостью z = h получится эллипс BFCG, уравнения которого имеют вид: или

Рис. 8

Полуоси этого эллипса

возрастают с возрастанием абсолютной величины h . При h = 0 получится эллипс, лежащий в плоскости Оху и имеющий наименьшие полуоси а и b.

При а = b получим однополостный гиперболоид

. (19)

При пересечении его плоскостями z = h получаются окружности

В п. 2 и 3 рассматривались цилиндрические и конические поверхности каждая из которых составлена из прямых. Оказывается, однополостный гиперболоид можно также рассматривать как поверхность, составленную из прямых линий. Рассмотрим прямую, определяемую уравнениями:

(20)

в которых а, b и с - полуоси однополостного гиперболоида, а - произвольно выбранное число ( ).

Перемножив левые и правые части этих уравнений, получим :

, или ,

т. е. получим уравнение однополостного гиперболоида.

Таким образом, уравнение однополостного гиперболоида является следствием системы уравнений (20). Поэтому координаты любой точки М (х; у; z), удовлетворяющие системе (20), удовлетворяют также и уравнению (18) однополостного гиперболоида. Иными словами, все точки прямой (20) принадлежат гиперболоиду (18). Меняя значения k, мы получим целое семейство прямых, лежащих на поверхности (18). Аналогично можно показать, что однополостному гиперболоиду принадлежат все прямые семейства:

(21)

Где l — произвольный параметр.

Рис. 9

Можно также показать, что через каждую точку однополостного гиперболоида проходит по одной прямой каждого из указанных семейств. Таким образом, однополостный гиперболоид можно рассматривать как поверхность, составленную из прямых линий (рис. 9). Эти прямые называются прямолинейными образующими однополостного гиперболоида.

Возможность составления поверхности однополостного гиперболоида из прямых линий используется в строительной технике. Так, например, по конструкции, предложенной инженером Шуховым , в Москве была сооружена радиомачта с помощью балок, расположенных по прямолинейным образующим однополостного гиперболоида.

Поверхность, определяемая уравнением

, (22)

называется двуполостным гиперболоидом.

Координатные плоскости являются плоскостями симметрии для двуполостного гиперболоида. Пересекая эту поверхность координатными плоскостями Oxz и Оуz, получим соответственно гиперболы

и Рис.10

Если двуполостный гиперболоид пересечь плоскостью

z = h (при | h |>c ), то в сечении получится эллипс

с полуосями

и ,

возрастающими при возрастании | h |. При | h |<с поверхность (22) с плоскостью z = h, очевидно, не пересекается. Двуполостный гиперболоид состоит из двух отдельных частей (полостей), чем и объясняется его название. При а = b уравнение (22) имеет вид

или . (23)

и является уравнением двуполостного гиперболоида вращения. В сечении последнего с плоскостью z = h (| h |>c) получится окружность

радиуса R= .

Параболоиды.

Эллиптическим параболоидом называется поверхность, определяемая уравнением

, (24)

при условии, что р и q имеют одинаковые знаки. В дальнейшем, для определенности, будем считать, что р>0, q>0.

При пересечении эллиптического параболоида координатными плоскостями Oxz и Oyz получатся, соответственно, параболы

а при пересечении плоскостью z = h (h >0) - эллипс

с полуосями и (рис. 11). В случае

p = q получим параболоид вращения

. (25)

Поскольку х и у входят в уравнение (24) в четных степенях, эллиптический параболоид имеет две плоскости симметрии: Oxz и Oyz.

Рис.11

Рис.12.

Гиперболическим параболоидом называется поверхность, определяемая уравнением

. (26)

при условии, что р и q имеют одинаковые знаки. (В дальнейшем, для определенности, будем считать, что р>0, q>0.)

Пересекая эту поверхность плоскостью Oxz, получим параболу

(27)

(рис.12.)

При пересечении гиперболического параболоида плоскостью x = h получится парабола

или

При различных значениях h получится целое семейство парабол, лежащих в плоскостях, параллельных плоскости Oyz и имеющих одинаковый параметр q.

Гиперболический параболоид можно рассматривать как поверхность, описываемую движением любой из этих парабол при условии, что плоскость движущейся параболы остается параллельной плоскости Oyz, ось симметрии параболы остается в плоскости Oxz, а вершина движется по параболе (27). Пересекая гиперболический параболоид плоскостью z = h, получим (при ) гиперболу:

или

Рис.13.

На рис. 12 показано расположение этой гиперболы для двух случаев: h >0 и h <0. При h = 0, т. е. при пересечении гиперболического параболоида координатной плоскостью Оху, получится линия, уравнение которой в плоскости Оху имеет вид:

Последнее уравнение равносильно системе двух уравнений

, .

Это означает, что гиперболический параболоид пересекается с плоскостью Оху по двум прямым :

лежащим в плоскости Оху и проходящим через начало координат. Кроме этих двух прямых, существуют и другие прямые, полностью лежащие на гиперболическом параболоиде. Более того, как и в случае однополостного гиперболоида, можно показать, что через каждую точку гиперболического параболоида проходит по одной прямой каждого из двух семейств прямых:

где k и l - произвольные параметры.

Таким образом, гиперболический параболоид можно рассматривать как поверхность, составленную из прямых линий (Рис. 13).

Замечание. Поверхности, составленные из прямых линий, называются линейчатыми. Таким образом, цилиндрические и конические поверхности, а также однополостный гиперболоид и гиперболический параболоид являются линейчатыми поверхностями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Беклемешев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры - М. Наука, 1980.

2. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической Геометрии - М. Наука, 1980.

3. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая мате- матика в упражнениях и задачах, 1 ч. - М. Высш. шк., 1986.

4. Изосов А.В., Изосова Л.А. Векторная алгебра и аналити- ческая геометрия - Учебное пособие, Магнитогорск, 2001.

5. Щипачёв В.С. Высшая математика - М., Высш. шк., 1985.

6. Шнейдер В.Е., Слуцкий А.И., Шумов А.С. Краткий курс высшей математики - М., Высш. шк., 1978.

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЫ…………… 3

§ 1. Матрицы и алгебраические действия с ними. ………… 3

§ 2. Определители матриц и их свойства. …………………….. 8

§ 3. Обратная матрица. …………………………………………….. 16

§ 4. Системы линейных алгебраических уравнений. ………… 21

ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОЙ АЛГЕБРЫ. ………….. 46

§ 1. Вектор. Алгебраические действия с векторами. ………. 46

§ 2. Системы координат на прямой, в плоскости и в

пространстве …………………………………………………… 49

§ 3. Нелинейные операции над векторами. ………………….. 57

§ 4. Понятие евклидова пространства. ………………………… 69

ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ. 72

§ 1. Прямая линия на плоскости. …………………………………72

§ 2. Взаимное расположение прямых на плоскости. ……….. 75

§ 3. Плоскость в пространстве. …………………………………... 79

§ 4. Прямая в пространстве. ……………………………………… 83

§ 5. Взаимное расположение прямой и плоскости в

постранстве. ……………………………………………………… 87

§ 6. Линии второго порядка на плоскости. …………………….. 97

§ 7. Полярная система координат. …………………………….... 114

§ 8. Поверхности второго порядка. ……………………………. 122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………… 141