Уравнение эллипсоида эллиптического параболоида гиперболического параболоида

Поверхности второго порядка. Поверхности вращения.

Поверхность S называется поверхностью вращения вокруг оси OZ, если для любой точки M₀(x₀,y₀,z₀)

этой поверхности окружность, проходящая через эту точку в плоскости z=z₀ с центром в (0,0,z₀) и радиусом

, целиком принадлежит этой поверхности.

Теорема (об уравнении поверхности вращения).

Если в некоторой декартовой прямоугольной системе координат поверхность S задана уравнением

F(x 2 +y 2 ,z)=0, то S — поверхность вращения вокруг оси OZ.

Эллипсоид:

Мнимый эллипсоид.

где a > 0, b > 0, c > 0. Эта поверхность не имеет ни одной вещественной точки.

Свойства эллипсоида.

1. Эллипсоид – ограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что

2. Эллипсоид обладает:

• центральной симметрией относительно начала координат,

• осевой симметрией относительно координатных осей,

• плоскостной симметрией относительно начала координат.

3. В сечении эллипсоида плоскостью, перпендикулярной любой из координатных осей, получается

Однополостной гиперболоид.

Свойства однополостного гиперболоида.

1. Однополостной гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что

2. Однополостной гиперболоид обладает:

• центральной симметрией относительно начала координат,

• осевой симметрией относительно всех координатных осей,

• плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

3. В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат Oz, получается

эллипс, а плоскостями, ортогональными осям Ox и Oy – гипербола.

Двуполостной гиперболоид.

Свойства двуполостного гиперболоида.

1. Двуполостный гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует,

что и неограничен сверху.

2. Двуполостный гиперболоид обладает

• центральной симметрией относительно начала координат,

• осевой симметрией относительно всех координатных осей,

• плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

3. В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат Oz, при

получается эллипс, при – точка, а в сечении плоскостями, перпендикулярными осям

Ox и Oy, – гипербола.

Эллиптический параболоид.

В случае, если a=b≠0, перечисленные выше (эллипсоид, однополостной гиперболоид, двуполостной

гиперболоид, эллиптический параболоид) поверхности являются поверхностями вращения.

Эллиптический параболоид.

Свойства эллиптического параболоида.

1. Эллиптический параболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует,

что z ≥ 0 и принимает сколь угодно большие значения.

2. Эллиптический параболоид обладает:

• осевой симметрией относительно оси Oz,

• плоскостной симметрией относительно координатных осей Oxz и Oyz.

3. В сечении эллиптического параболоида плоскостью, ортогональной оси Oz, получается эллипс, а

плоскостями, ортогональными осям Ox и Oy – парабола.

Уравнение эллиптического параболоида имеет вид:

Если a=b, то эллиптический параболоид представляет собой поверхность вращения, образованную

вращением параболы, параметр которой , вокруг вертикальной оси, проходящей через

вершину и фокус данной параболы.

Пересечение эллиптического параболоида с плоскостью z=z₀>0 является эллипсом.

Пересечение эллиптического параболоида с плоскостью x=x₀ или y=y₀ является параболой.

Уравнение эллипсоида эллиптического параболоида гиперболического параболоида

К невырожденным поверхностям второго порядка относятся эллипсоид, эллиптический параболоид, гиперболический параболоид, однополостной гиперболоид и двуполостной гиперболоид. Строгое изучение этих поверхностей проводится в курсе аналитической геометрии. Здесь же мы ограничимся определениями и иллюстрациями.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением , , , называется эллипсоидом .

Рисунок 5.7.1

Эллипсоид – ограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что

• центральной симметрией относительно начала координат,
• осевой симметрией относительно координатных осей,
• плоскостной симметрией относительно начала координат.

В сечении эллипсоида плоскостью, перпендикулярной любой из координатных осей, получается эллипс.

Рисунок 5.7.2

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением , , называется эллиптическим параболоидом .

Свойства эллиптического параболоида.

Эллиптический параболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что и принимает сколь угодно большие значения.

Эллиптический параболоид обладает

• осевой симметрией относительно оси ,
• плоскостной симметрией относительно координатных осей и .

В сечении эллиптического параболоида плоскостью, ортогональной оси , получается эллипс, а плоскостями, ортогональными осям и – парабола.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением , , называется гиперболическим параболоидом .

Рисунок 5.7.3

Свойства гиперболического параболоида.

Гиперболический параболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что – любое число.

Гиперболический параболоид обладает

• осевой симметрией относительно оси ,
• плоскостной симметрией относительно координатных плоскостей и .

В сечении гиперболического параболоида плоскостью, ортогональной оси координат , получается гипербола, а плоскостями, ортогональными осям и , – парабола.

Гиперболический параболоид может быть получен поступательным перемещением в пространстве параболы так, что ее вершина перемещается вдоль другой параболы, ось которой параллельна оси первой параболы, а ветви направлены противоположно, причем их плоскости взаимно перпендикулярны.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением , , , называется однополостным гиперболоидом .

Рисунок 5.7.4

Свойства однополостного гиперболоида.

Однополостной гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что – любое число.

Однополостной гиперболоид обладает

• центральной симметрией относительно начала координат,
• осевой симметрией относительно всех координатных осей,
• плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат , получается эллипс, а плоскостями, ортогональными осям и – гипербола.

Поверхность, задаваемая в некоторой прямоугольной декартовой системе координат уравнением , , , называется двуполостным гиперболоидом .

Рисунок 5.7.5

Свойства двуполостного гиперболоида.

Двуполостный гиперболоид – неограниченная поверхность, поскольку из его уравнения следует, что и неограничен сверху.

Двуполостный гиперболоид обладает

• центральной симметрией относительно начала координат,
• осевой симметрией относительно всех координатных осей,
• плоскостной симметрией относительно всех координатных плоскостей.

В сечении однополостного гиперболоида плоскостью, перпендикулярной оси координат , при получается эллипс, при – точка, а в сечении плоскостями, перпендикулярными осям и , – гипербола.

По аналогии с коническими сечениями существуют и вырожденные поверхности второго порядка. Так, уравнением второго порядка описывается пара совпадающих плоскостей, уравнением – пара параллельных плоскостей, уравнением – пара пересекающихся плоскостей. Уравнение описывает точку с координатами (0; 0; 0), уравнение – круговой цилиндр, уравнение – круговой конус. Существуют и другие вырожденные случаи. Полная теория поверхностей второго порядка рассматривается в курсе аналитической геометрии.

Поверхности второго порядка

Поверхности вращения.

Поверхность \(S\) называется поверхностью вращения с осью \(d\), если она составлена из окружностей, которые имеют центры на прямой \(d\) и лежат в плоскостях, перпендикулярных данной прямой.

Рассмотрим линию \(L\), которая лежит в плоскости \(P\), проходящей через ось вращения \(d\) (рис. 43), и будем вращать ее вокруг этой оси. Каждая точка линии опишет окружность, а вся линия — поверхность вращения.

Рис. 10.1. Поверхность вращения.

Выберем начало декартовой прямоугольной системы координат \(O, \boldsymbol_<1>, \boldsymbol_<2>, \boldsymbol_<3>\) на оси \(d\), вектор \(\boldsymbol_<3>\) направим вдоль \(d\), а вектор \(\boldsymbol_<1>\) поместим в плоскости \(P\). Таким образом, \(O, \boldsymbol_<1>, \boldsymbol_<3>\) — декартова система координат в плоскости \(P\). Пусть линия \(L\) имеет в этой системе координат уравнение \(f(x, y)=0\).

Рассмотрим точку \(M(x, y, z)\). Через нее проходит окружность, которая имеет центр на оси \(d\) и лежит в плоскости, перпендикулярной этой оси. Радиус окружности равен расстоянию от \(M\) до оси, то есть \(\sqrt+y^<2>>\). Точка \(M\) лежит на поверхности вращения тогда и только тогда, когда на указанной окружности имеется точка Мь принадлежащая вращаемой линии \(L\).

Точка \(M_<1>(x_<1>, y_<1>, z_<1>)\) лежит в плоскости \(P\), и потому \(y_<1>=0\). Кроме того, \(z_<1>=z\) и \(|x|=\sqrt+y^<2>>\), так как \(M_<1>\) лежит на той же окружности, что и \(M\). Координаты точки \(M_<1>\) удовлетворяют уравнению линии \(L\): \(f(x_<1>, z_<1>)=0\). Подставляя в это уравнение \(x_<1>\) и \(z_<1>\), мы получаем условие на координаты точки \(M\), необходимое и достаточное для того, чтобы \(M\) лежала на поверхности вращения \(S\): равенство
$$
f\left(\pm \sqrt+y^<2>>, z\right)=0\label
$$
должно быть выполнено хотя бы при одном из двух знаков перед корнем. Это условие, которое можно записать также в виде
$$
f\left(\sqrt+y^<2>>, z\right)f\left(-\sqrt+y^<2>>, z\right)=0,\label
$$
и является уравнением поверхности вращения линии \(L\) вокруг оси \(d\).

Эллипсоид.

Рассмотрим поверхности, которые получаются при вращении эллипса вокруг его осей симметрии. Направив вектор \(\boldsymbol_<3>\) сначала вдоль малой оси эллипса, а затем вдоль большой оси, мы получим уравнения эллипса в следующих видах:
$$
\frac>>+\frac>>=1,\ \frac>>+\frac>>=1.\nonumber
$$
(Здесь через \(c\) обозначена малая полуось эллипса.) В силу формулы \eqref уравнениями соответствующих поверхностей вращения будут
$$
\frac+y^<2>>>+\frac>>=1,\ \frac>>+\frac+y^<2>>>=1\ (a > c).\label
$$
Поверхности с такими уравнениями называются соответственно сжатым и вытянутым эллипсоидами вращения (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Сжатый (а) и вытянутый (б) эллипсоиды вращения.

Каждую точку \(M(x, y, z)\) на сжатом эллипсоиде вращения сдвинем к плоскости \(y=0\) так, чтобы расстояние от точки до этой плоскости уменьшилось в постоянном для всех точек отношении \(\lambda Рис. 10.3. Эллипсоид.

Эллипсоид так же, как и эллипсоид вращения, из которого он получен, представляет собой замкнутую ограниченную поверхность. Из уравнения \eqref видно, что начало канонической системы координат — центр симметрии эллипсоида, а координатные плоскости — его плоскости симметрии.

Эллипсоид можно получить из сферы \(x^<2>+y^<2>+z^<2>=a^<2>\) сжатиями к плоскостям \(y=0\) и \(z=0\) в отношениях \(\lambda=b/a\) и \(\mu=c/a\).

В этой статье нам часто придется прибегать к сжатию, и мы не будем его каждый раз описывать столь подробно.

Конус второго порядка.

Рассмотрим на плоскости \(P\) пару пересекающихся прямых, задаваемую в системе координат \(O, \boldsymbol_<1>, \boldsymbol_<3>\) уравнением \(a^<2>x^<2>-c^<2>z^<2>=0\). Поверхность, получаемая вращением этой линии вокруг оси аппликат, имеет уравнение
$$
a^<2>(x^<2>+y^<2>)-c^<2>z^<2>=0\label
$$
и носит название прямого кругового конуса (рис. 10.4). Сжатие к плоскости \(y=0\) переводит прямой круговой конус в поверхность с уравнением
$$
a^<2>x^<2>+b^<2>y^<2>-c^<2>z^<2>=0\label
$$
называемую конусом второго порядка.

Обратите внимание на то, что левая часть уравнения \eqref — однородная функция, и поверхность является конусом в смысле определения, введенного ранее.

Рис. 10.4. Прямой круговой конус.

Однополостный гиперболоид.

Однополостный гиперболоид вращения — это поверхность вращения гиперболы
$$
\frac>>-\frac>>=1\nonumber
$$
вокруг той оси, которая ее не пересекает. По формуле \eqref мы получаем уравнение этой поверхности (рис. 10.5)
$$
\frac+y^<2>>>-\frac>>=1.\label
$$

Рис. 10.5. Однополостный гиперболоид вращения.

В результате сжатия однополостного гиперболоида вращения к плоскости \(y=0\) мы получаем однополостный гиперболоид с уравнением
$$
\frac>>+\frac>>-\frac>>=1.\label
$$

Интересное свойство однополостного гиперболоида — наличие у него прямолинейных образующих. Так называются прямые линии, всеми своими точками лежащие на поверхности. Через каждую точку однополостного гиперболоида проходят две прямолинейные образующие, уравнения которых можно получить следующим образом.

Покажем на примере, как найти образующие, проходящие через данную точку поверхности. Рассмотрим поверхность \(x^<2>+y^<2>-z^<2>=0\) и точку \(M_<0>(1, 1, 1)\) на ней. Подставляя координаты \(M_<0>\) в уравнения \eqref, мы получаем условия на \(\lambda\) и \(\mu\): \(2\lambda=2\mu\) и \(0 \cdot \lambda=0 \cdot \mu\). Первое из них определяет \(\lambda\) и \(\mu\) с точностью до общего множителя, но только с такой точностью они и нужны. Подставляя эти значения в \eqref, получаем уравнения прямолинейной образующей
$$
x+z=1+y,\ x-z=1-y.\nonumber
$$

Она проходит через \(M_<0>\), так как \(\lambda\) и \(\mu\) так и выбирались, чтобы координаты \(M_<0>\) удовлетворяли этой системе. Аналогично, подставляя координаты \(M_<0>\) в (10), находим условия на \(\lambda’\) и \(\mu’\): \(2\mu’=0\) и \(2\mu’=0\). Коэффициент \(\lambda’\) можно взять любым ненулевым, и мы приходим к уравнению второй образующей: \(x=z\), \(y=1\).

Если вместе с гиперболой мы будем вращать ее асимптоты, то они опишут прямой круговой конус, называемый асимптотическим конусом гиперболоида вращения. При сжатии гиперболоида вращения его асимптотический конус сжимается в асимптотический конус общего однополостного гиперболоида.

Двуполостный гиперболоид.

Двуполостный гиперболоид вращения — это поверхность, получаемая вращением гиперболы
$$
\frac>>-\frac>>=1\nonumber
$$
вокруг той оси, которая ее пересекает. По формуле \eqref мы получаем уравнение двуполостного гиперболоида вращения
$$
\frac>>-\frac+y^<2>>>=1.\label
$$
В результате сжатия этой поверхности к плоскости у=0 получается поверхность с уравнением
$$
\frac>>-\frac>>-\frac>>=1.\label
$$

Поверхность, которая в некоторой декартовой прямоугольной системе координат имеет уравнение вида \eqref, называется двуполостным гиперболоидом (рис. 10.6). Двум ветвям гиперболы здесь соответствуют две не связанные между собой части (“полости”) поверхности, в то время как при построении однополостного гиперболоида вращения каждая ветвь гиперболы описывала всю поверхность.

Асимптотический конус двуполостного гиперболоида определяется так же, как и для однополостного.

Рис. 10.6. Двуполостный гиперболоид вращения.

Эллиптический параболоид.

Вращая параболу \(x^<2>=2pz\) вокруг ее оси симметрии, мы получаем поверхность с уравнением
$$
x^<2>+y^<2>=2pz.\label
$$
Она называется параболоидом вращения. Сжатие к плоскости \(y=0\) переводит параболоид вращения в поверхность, уравнение которой приводится к виду
$$
\frac>>+\frac>>=2z.\label
$$

Поверхность, которая имеет такое уравнение в некоторой декартовой прямоугольной системе координат, называется эллиптическим параболоидом (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Эллиптический параболоид.

Гиперболический параболоид.

По аналогии с уравнением \eqref мы можем написать уравнение
$$
\frac>>-\frac>>=2z.\label
$$

Поверхность, которая имеет уравнение вида \eqref в некоторой декартовой прямоугольной системе координат, называется гиперболическим параболоидом.

Исследуем форму этой поверхности. Для этого рассмотрим ее сечение плоскостью \(x=\alpha\) при произвольном \(\alpha\). В этой плоскости выберем декартову прямоугольную систему координат \(O’, \boldsymbol_<2>, \boldsymbol_<3>\) с началом в точке \(O'(\alpha, 0, 0)\). Относительно этой системы координат линия пересечения имеет уравнение
$$
-\frac>>=2\left(z-\frac<\alpha^<2>><2a^<2>>\right).\label
$$
Эта линия — парабола, в чем легко убедиться, перенеся начало координат в точку \(O″\) с координатами \((0, \alpha^<2>/(2a^<2>))\). (Координаты этой точки относительно исходной системы координат \(O, \boldsymbol_<1>, \boldsymbol_<2>, \boldsymbol_<3>\) в пространстве равны \((\alpha, 0, \alpha^<2>/(2a^<2>))\).)

Точка \(O″\), очевидно, является вершиной параболы, ось параболы параллельна вектору \(\boldsymbol_<3>\), а знак минус в левой части равенства \eqref означает, что ветви параболы направлены в сторону, противоположную направлению \(\boldsymbol_<3>\). Заметим, что после переноса начала координат в точку \(O″\) величина а не входит в уравнение параболы, и, следовательно, сечения гиперболического параболоида плоскостями \(x=\alpha\) при всех \(\alpha\) представляют собой равные параболы.

Будем теперь менять величину \(\alpha\) и проследим за перемещением вершины параболы \(O″\) в зависимости от \(\alpha\). Из приведенных выше координат точки \(O″\) следует, что эта точка перемещается по линии с уравнениями
$$
z=\frac><2a^<2>>,\ y=0\nonumber
$$
в системе координат \(O, \boldsymbol_<1>, \boldsymbol_<2>, \boldsymbol_<3>\). Эта линия — парабола в плоскости \(y=0\). Вершина параболы находится в начале координат, ось симметрии совпадает с осью аппликат, а ветви параболы направлены в ту же сторону, что и вектор \(\boldsymbol_<3>\).

Теперь мы можем построить гиперболический параболоид следующим образом: зададим две параболы и будем перемещать одну из них так, чтобы ее вершина скользила по другой, оси парабол были параллельны, параболы лежали во взаимно перпендикулярных плоскостях и ветви их были направлены в противоположные стороны.

При таком перемещении подвижная парабола описывает гиперболический параболоид (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Гиперболический параболоид. \(OB\) — неподвижная парабола, \(KLM,\ NOP,\ QRS\) — положения подвижной параболы.

Сечения гиперболического параболоида плоскостями с уравнениями \(z=\alpha\) при всевозможных \(\alpha\) — гиперболы. Эти сечения нарисованы на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Сечения гиперболического параболоида

Выводятся эти уравнения так же, как и уравнения прямолинейных образующих однополостного гиперболоида.

Рис. 10.10. Прямолинейные образующие гиперболического параболоида