空间曲线及其方程.ppt

第四节 空间曲线及其方程,一、空间曲线的一般方程,二、空间曲线的参数方程,三、空间曲线在坐标面上的投影,返回,空间曲线可以看作两个曲面的交线.设,一、空间曲线的一般方程,和,是两个曲面的方程,它们的交线为C(图7-44).,(1),因为曲线C上的任何点的坐标应同时满足这两个曲面的方程,所以应满足方程组,图7-44,例1 方程组,表示怎样的曲线?,解 方程组中第一个方程表示母线平行于z轴的圆柱面,其准线是xOy面上的圆,圆心在原点O,半径为1.,反过来,如果点M不在曲线C上,那么它不可能同时在两个曲面上,所以它的坐标不满足方程组(1).因此,曲线C可以用方程组(1)来表示.方程组(1)叫做空间曲线C的一般方程.,方程组中第二个方程表示一个母线平行于y轴的柱面,由于它的准线是zOx面上的直线,因此它是一个平面.,方程组就表示上述平面与圆柱面的交线,如图7-45 所示.,图7-45,x,y,z,O,例2 方程组,表示怎样的曲线?,解 方程组中第一个方程表示球心在坐标原点O,半径为a的上半球面.,半径为,第二个方程表示母线平行于z轴的圆柱面,它的准线是xOy,面上的圆,这圆的圆心在点,返回,二、空间曲线的参数方程,空间曲线C的方程除了一般方程之外,也可以用参数形式表示,只要将C上动点的坐标x，y，z表示为参数t的函数:,(2),当给定,时,就得到C上的一个点,随着t的变动便可得曲线C上的全部点.,方程组(2)叫做空间曲线的参数方程.,都是常数),那么点M构成的图形叫做螺旋线.试建立,例3 如果空间一点M在圆柱面,上以角速度,绕z轴旋转,同时又以线速度v沿平行于z轴的正方向上升(其中,其参数方程.,解 取时间t为参数.设当,时,处.经过时间t,动点由A运动到,(图7-47).,动点位于x轴上的一点,图7-47,h,记M在xOy面上的投影为,的坐标为,由于动点在圆柱面上以角速度,绕z轴旋转,所以经过时间t,从而,由于动点同时以线速度v沿平行于z轴的正方向上升,所以,因此螺旋线的参数方程为,也可以用其他变量作参数;例如令,则螺旋线的参数,方程可写为,这里,而参数为,螺旋线是实践中常用的曲线.例如,平头螺丝钉的外缘曲线就是螺旋线.当我们拧紧平头螺丝钉时,它的外缘曲线上的任一点M,一方面绕螺丝钉的轴旋转,另一方面又沿平行于轴线的方向前进,点M就走出一段螺旋线.,螺旋线有一个重要性质:当,从,变到,时,z由,变到,特别是当,转过一周,即,时,M点就上升固定的,高度,.这个高度,在工程技术上叫做螺距.,这说明当,转过角,时,M点沿螺旋线,上升了高度,即上升的高度与,转过的角度成正比.,*曲面的参数方程,下面顺便介绍一下曲面的参数方程.曲面的参数方程通常是含两个参数的方程,形如,例如空间曲线,绕z轴旋转,所得旋转曲面的方程为,（4）,这是因为,固定一个t,得,上一点,点,上,其半,径为点,到z轴的距离,因此,固定t的方,程(4)就是该圆的参数方程.再令t在,内变动,方程,(4)便是旋转曲面的方程.,例如直线,绕z轴旋转所得旋转曲面(图7-48)的方程为,(上式消去t和,得曲面的直角坐标方程为,),图7-48,y,z,x,o,又如球面,可看成zOx面上的半圆周,绕z轴旋转所得(图7-49),故球面方程为,图7-49,x,y,z,O,返回,三、空间曲线在坐标面上的投影,设空间曲线C的一般方程为,(5),现在我们来研究由方程组(5)消去变量z后所得的方程,(6),由于方程(6)是由方程组(5)消去z后所得的结果,因此当x，y和z满足方程组(5)时,前两个数x，y必定满足方程(6),这说明曲线C上的所有点都在由方程(6)所表示的曲面上.,由上节知道,方程(6)表示一个母线平行于z轴的柱面.,所表示的曲线必定包含空间曲线C在xOy面上的投影.,同理,消去方程组(5)中的变量x或变量y,再分别和x=0或y=0联立,我们就可得到包含曲线C在yOz面或xOz面上的投影的曲线方程:,或,由上面的讨论可知,这柱面必定包含曲线C.以曲线C为准线,母线平行于z轴(即垂直于xOy面)的柱面叫做曲线C关于xOy面的投影柱面,投影柱面与xOy面的交线叫做空间曲线C在xOy面上的投影曲线,或简称投影.因此,方程(6)所表示的柱面必定包含投影柱面,而方程,例4 已知两球面的方程为,(7),和,(8),求它们的交线C在xOy面上的投影方程.,解 先求包含交线C而母线平行于z轴的柱面方程.因此要由方程(7),(8)消去z,为此可先从(7)式减去(8)式并化简,得到,再以z=1-y代入方程(7)或(8)即得所求的柱面方程为,容易看出,这就是交线C关于xOy面的投影柱面方程,于是两球面的交线在xOy面上的投影方程是,在重积分和曲面积分的计算中,往往需要确定一个立体或曲面在坐标面上的投影,这时要利用投影柱面和投影曲线.,例5 设一个立体由上半球面,和锥面,所围成(图7-50),求它在xOy面上的投影.,解 半球面和锥面的交线为,由上列方程组消去z,得到,图7-50,这是xOy面上的一个圆,于是所求立体在xOy面上的投影,就是该圆在xOy面上所围的部分:,.,这是一个母线平行于z轴的圆柱面,容易看出,这恰好是交线C关于xOy面的投影柱面,因此交线C在xOy面上的投影曲线为,返回,