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一般锥面方程求解方法的研究
发布日期:2020-09-11 10:05:40

绪论

锥面方程是解析几何中的一部分,在解题是用到的次数较多,在生活应用十分广泛,是工程中必不可少的组成部分,锥面方程更多的是来自对变量数学的需求,文艺复兴后欧洲进入了一个生产迅速发展的时代。机械的广泛使用,让人们开始对机械进行研究,机械是运动的,研究机械需要运动学知识和相应的数学理论,河道的修建,建筑的兴盛,提出了流体力学和固体力学的问题,这些问题的解决需要合理正确的数学计算,从此数学不在是静止的,在生活中人们要研究曲面,切面的问题,静态几何既不能把曲线看作是动点轨迹,更没有一般的表示方法,于是创造了变量数学,锥面方程也就在这种情况下问世,核心是通过代数方程来研究和表示曲线。

 在引进坐标的基础上,把曲线所决定的两个坐标之间的关系用方程表示出来,通过对方程的研究来反映图形的性质,把几何问题翻译为代数方程,又通过对方程的研究来揭示图形的几何性质。所以圆锥方程是用代数方法解决立体几何问题。实现了数与形的统一。

 理解锥面方程是非常必要的,因为它在生活中应用广泛,具有较强的使用价值,本文主要研究锥面方程的解法,通过对锥面方程的定义及性质的研究,来认识锥面方程,先讨论其常规解法,然后根据锥面方程的性质研究不同发解法,从而发现更简洁更准确的解题方法,以此来提高解题效率,减少解题时间。

 

 

 

关于一般锥面方程求解方法的研究

2.1  锥面的定义及分类

2.1.1 锥面的定义

一直线通过一定点P0且与一条定曲线C相交而移动时所产生的曲面叫做锥面。定点P0叫做锥面的顶点,定曲线C叫做锥面的准线,动直线叫做锥面的母线。

  注:(1)锥面的准线不是唯一的,,和一切母线都相交的每一条曲线都可以作为它的准线.

     2)锥面的母线是不唯一的。

2.1.2 锥面的分类

动直线经过一定点且保持与定曲线相交所产生的曲面。我们把定点称为锥面的顶点;定曲线称为锥面的准线;动直线称为锥面的直母线。当准线是圆时所得锥面称为圆锥面,如果顶点在过圆心且与圆所在平面垂直的直线上,所得的锥面称为正圆锥面,正圆锥面还可以看成是过定点直线L上一定点P且与该定直线保持定角(锐角)的动直线产生。一般的以平面上的椭圆,双曲线和抛物线为准线,平面外为为顶点的锥面,称为二次锥面。

 

2.2 一般锥面方程的求解方法

2.2.1 锥面方程的常规解法

设锥面的准线C的方程为

 1)顶点P0的坐标为(x0,y0,z0),求出锥面的一般方程。

  P1x1,y1,z1)是准线上的任一点,那么母线P0P1的方程为:

   =

由此解得

     由于P1C,从而x1,y1,z1,满足(1),即

  , (2)     这表示,锥面上的点的

坐标必满足(2),从(2)消去t,即得到锥面的一般方程。

       x,y,z)=0

例:求顶点在原点,准线为x2-2z+1=0,y-z+1=0的锥面方程。

     解:设M为锥面上任意一点M(x,y,z),过M与O的直线为:

           ==  设其与准线交于(x0,y0,z0)即存在t,使

X0=x*t,y0=y*t,z0=z*t将他们带入方程,并消去t得:x2-2z(z-y)+(z-y)2=0

     x2+y2-z2=0此为所要求的锥面方程。
 

 

1.1.1 利用齐次性求解方程

例:设一锥面的顶点为坐标原点,准线是椭圆,

        ,求这锥面的方程

解:在准线上任取一点p1(x1,y1,z1)则

        ,母线OP1的方程为,从以上四个方程消去x1,y1,z1,即得所求圆锥面方程,.

这个锥面称为二次锥面,当a=b,时就是我们所说的圆锥面方程。

从这个例题我们可以猜测,以原点为顶点的锥面方程是关于x,y,z的齐次方程,下面我们来证实一下这个猜测的准确性。

正法以一:

   设方程:  

     F(x,y,z)=0 ,表示以原点为顶点的锥面,在这个锥面上任取一点P(x1,y1,z1,则F(x1,y1,z1=0,且母线

证:设可微函数a=f(x,y,z)满足方程式OP1上的任何点都在这个锥面上,因为OP1的方程为

          

   则有:

   这表示F(x,y,z)=0是零次齐次方程。

反之,若F(x,y,z)=0是关于x,y,z的n次齐次方程,点P1是这个方程所表示的曲面S上的任一点,(但不是原点),则

        F(x1,y1,z1)=0 ,

要证S是锥面,只要证直线OP1上的任一点都在曲面S上,直线OP1的方程为

        

代入曲面方程的左边得

         F(x,y,z)=F(x1t,y1t,z1t),=tn*F(x1,y1,z1)=0

上式对任意t都成立,从而,因而S是由过原点的直线所构成,即它是一个以原点为顶点的锥面。
 

 

证法二:

  设:可微函数a=F(x,y,z)满足方程

    (1),则该函数为n次齐次函数。

设锥面的准线的方程为

    (2) ,其中FF为可微函数

如果(2)中有一个为齐次方程,那么定理成立,如果(2)中方程都不是齐次方程,则F(x,y,z)不是齐次函数,由定理知,3),由于锥面的顶点为原点,所以准线上任一点p(x1,y1,z1)的母线方程为:x=x1b,y=y1b,z=z1b,b(-,+),母线上的点除原点外都满足,,,因为P点在准线上,所以有, ,所以锥面上除顶点外,所有点(x,y,z)均满足方程, 4)(5),消去参数b,使锥面上除顶点(0,0,0)外所有点满足方程Q(x,y,z)=0 (6),下面我们来证明Q(x,y,z)=0一定为齐次函数,

设隐函数w=w(x,y,z).则有

F1=0 (7)两边关于x求偏导,则

  8)

同理得

     9)

     10)

(8)x+(9)y+(10)z得

     ,(11)

则有w(x,y,x)=w=w(x,y,z)代入(5)中得到

Q(x,y,z)=F2(),

因此有

     ,(12)

     ,(13)

     ,(14)

(12)x+(13)y+(14)z得

        

可知,Q(x,y,z)必为零次齐次函数,即(6)为齐次方程,从而以坐标原点为顶点的锥面方程,一定是关于x,y,z的齐次方程。

我们可以推论,关于x-x0,y-y0,z-z0的齐次方程一定表示以(x0,y0,z0)为顶点的锥面。

  证:坐标变换 ,则,表示以0,0,0)为顶点的锥面,因此表示顶点在(x0,y0,z0)的锥面。

例:方程3xy-2xz+y*z+z2=0是关于x,y,z的三元二次齐次方程,所以他是以原点为顶点的二次锥面。

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