3.6.Уравнения 2-й степени в пространстве

Опред. Уравнением второго порядка в пространстве (уравнением поверхности 2-го порядка) называют уравнение вида

a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+a₄₁x+a₄₂y+a₄₃z+ a₄₄=0 (6.3)

Мы познакомимся только с уравнением (6.3), в котором отсутствуют произведения текущих координат. В этом случае имеется возможность выделить полные квадраты по переменным и получить уравнение поверхности в каноническом виде. Последние и будем изучать более подробно.

Для исследования канонических уравнений поверхностей второго порядка используют метод сечений. В самом простом виде он выглядит так: проводят серии плоскостей, параллельных координатным плоскостям и по результатам (виду сечений) делают вывод о форме поверхности. Эта работа похожа на работу томографа при исследовании внутренних органов человека в медлабораториях или работу топографа при топографической съемке местности.

Реализуем метод при построении поверхности ++=1.Рассечем поверхность плоскостямиz=h. Тогда в сечении получим

+=1-, Из этой системы видно, чтоhне может превышать

z=h. с. Что означает – поверхность расположена между двумя

плоскостями – выше h=-cи нижеh=c. Более того, в сечениях получаются эллипсы, самый большой из которых расположен в плоскостиz=0. Чем дальше от плоскости хОу, тем меньше эллипс. И на высоте с эллипс вырождается в точку.

Если провести аналогичные серии плоскостей . параллельных другим координатным плоскостям, то получим похожие выводы. Следовательно, поверхность образована скольжением эллипсов по эллипса и называется трехосным эллипсоидом.

3.7.Цилиндры и поверхности вращения

Из поверхностей, отличных от 2-го порядка рассмотрим два частных случая.

Пусть задано уравнение F(x;y)=0 в пространстве. И требуется установить, как выглядит поверхность.

Комментарий. Т.к. сказано, что уравнение задано в пространстве, то отсутствие в уравнении некоторых переменных не противоречит определению поверхности в разделе 6.1.

Рассуждаем так. Добавим к этому уравнению уравнение z=0. Тогда

Эта система есть линия на плоскости хОу. На ней можно взять точку М(х;у). Если теперь эту точку перемещать вдоль Oz, не меняя х и у этой точки, то уравнение поверхности F(x;y)=0 будет тождественно выполняться, т.к. тождественно выполняется первое уравнение системы. Значит поверхность образована движением прямой, параллельной Oz и пересекающей данную линию на плоскости. Естественно эту поверхность назвать цилиндрической. У нее две характеристики, определяющие ее вид : кривая F(x;y)=0 при z=0 – направляющая цилиндра; и прямая, пересекающая эту кривую, перпендикулярная плоскости расположения кривой и называемая образующей цилиндра.

Вывод : всякое уравнение с двумя переменными в пространстве определяет цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной отсутствующей координате и направляющей – кривой в плоскости переменных, записанных в уравнении поверхности.

Пусть дана плоская линия для определенности в плоскости хОу уравнениями

На ней можно взять точку М(х;у). Если теперь эту точку вращать около оси Oх, то точка опишет окружность с центром на оси Ох и радиусом, равным у точки М. Уравнение этой окружности Z2+Y2=y2 . В уравнении большими буквами записаны фактически меняющиеся координаты точки на окружности, а малое у – это радиус. Такие же окружности описывают все точки кривой и образуется поверхность вращения. На каждой окружности этой поверхности х=Х. Если из уравнения окружности выразить у и подставить в уравнение кривой, то получим F(Х,)=0. Но последнее уравнение содержит три переменные и потому является уравнением поверхности вращения взятой в начале линии относительно Ох.

Вывод: если в некотором уравнении квадраты двух переменных имеют одинаковые коэффициенты, то это поверхность вращения. А механизм получения уравнения поверхности , образованной вращением некоторой линии относительно координатной оси, представлен выше.