旋转曲面、二次曲面(椭球面、抛物面、双曲面)的表达式

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7 分
旋转曲面、二次曲面(椭球面、抛物面、双曲面)的表达式

曲面的切平面与法线、曲线的切线与法平面怎么求

我来系统整理旋转曲面和二次曲面(椭球面、抛物面、双曲面)的标准表达式。


一、旋转曲面(Surface of Revolution)#

核心定义#

一条平面曲线绕其平面上一条定直线(旋转轴)旋转一周所形成的曲面。


1.1 基本公式#

设 yOzyOz 面上的曲线 C:f(y,z)=0C: f(y,z) = 0,绕 zz 轴 旋转:

f(±x2+y2, z)=0\boxed{f\left(\pm\sqrt{x^2+y^2},\ z\right) = 0}

记忆口诀:绕谁转,谁不变,另一个变量换成 两变量平方和\sqrt{\text{两变量平方和}}


1.2 常见旋转曲面#

母线(在 yOzyOz 面)旋转轴旋转曲面方程名称
y2=2pzy^2 = 2pz(抛物线)zz 轴x2+y2=2pzx^2+y^2 = 2pz旋转抛物面
y2a2+z2b2=1\frac{y^2}{a^2} + \frac{z^2}{b^2} = 1(椭圆)zz 轴x2+y2a2+z2b2=1\frac{x^2+y^2}{a^2} + \frac{z^2}{b^2} = 1旋转椭球面(a=ba=b 时为球面)
y2a2−z2b2=1\frac{y^2}{a^2} - \frac{z^2}{b^2} = 1(双曲线)zz 轴x2+y2a2−z2b2=1\frac{x^2+y^2}{a^2} - \frac{z^2}{b^2} = 1旋转单叶双曲面
y2a2−z2b2=1\frac{y^2}{a^2} - \frac{z^2}{b^2} = 1(双曲线)yy 轴y2a2−x2+z2b2=1\frac{y^2}{a^2} - \frac{x^2+z^2}{b^2} = 1旋转双叶双曲面
y=kyy = ky 即 z=±ycot⁡αz = \pm y\cot\alpha(直线)zz 轴z2=a2(x2+y2)z^2 = a^2(x^2+y^2)圆锥面

1.3 教材典型例题#

例:xOzxOz 面上的双曲线 x2a2−z2c2=1\frac{x^2}{a^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1

  • 绕 zz 轴旋转(教材图8-40): x2+y2a2−z2c2=1(旋转单叶双曲面)\boxed{\frac{x^2+y^2}{a^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1} \quad \text{(旋转单叶双曲面)}

  • 绕 xx 轴旋转(教材图8-41): x2a2−y2+z2c2=1(旋转双叶双曲面)\boxed{\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2+z^2}{c^2} = 1} \quad \text{(旋转双叶双曲面)}


二、二次曲面(Quadric Surfaces)#

三元二次方程 Ax2+By2+Cz2+Dxy+Eyz+Fzx+Gx+Hy+Iz+J=0Ax^2+By^2+Cz^2+Dxy+Eyz+Fzx+Gx+Hy+Iz+J=0 所表示的曲面。

适当选取坐标系,可化为标准方程。


2.1 椭球面(Ellipsoid)#

x2a2+y2b2+z2c2=1(a,b,c>0)\boxed{\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1 \quad (a,b,c > 0)}

特征:

  • a=b=ca=b=c:球面
  • a=b≠ca=b \neq c:旋转椭球面(绕 zz 轴)
  • a,b,ca,b,c 各不相同:一般椭球面

图形:封闭的橄榄球形

截痕法:

平面截痕
z=kz = k(∥k∥<c\|k\| < c)椭圆 x2a2(1−k2c2)+y2b2(1−k2c2)=1\frac{x^2}{a^2(1-\frac{k^2}{c^2})} + \frac{y^2}{b^2(1-\frac{k^2}{c^2})} = 1
z=0z = 0椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1
z=±cz = \pm c点 (0,0,±c)(0,0,\pm c)

2.2 抛物面(Paraboloid)#

(1)椭圆抛物面(Elliptic Paraboloid)#

z=x2a2+y2b2\boxed{z = \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}}

特征:

  • a=ba = b:旋转抛物面 z=x2+y2a2z = \frac{x^2+y^2}{a^2}
  • 开口向 zz 轴正方向
  • 顶点在原点

图形:碗形(开口向上)

截痕法:

平面截痕
z=k>0z = k > 0椭圆 x2a2k+y2b2k=1\frac{x^2}{a^2k} + \frac{y^2}{b^2k} = 1
z=0z = 0点 (0,0,0)(0,0,0)(顶点)
x=0x = 0抛物线 z=y2b2z = \frac{y^2}{b^2}
y=0y = 0抛物线 z=x2a2z = \frac{x^2}{a^2}

(2)双曲抛物面(Hyperbolic Paraboloid)— 马鞍面#

z=x2a2−y2b2\boxed{z = \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2}}

特征:

  • 不是旋转曲面
  • 形状像马鞍
  • 也称鞍形曲面

截痕法:

平面截痕
z=k≠0z = k \neq 0双曲线
z=0z = 0两相交直线 xa=±yb\frac{x}{a} = \pm\frac{y}{b}
x=0x = 0抛物线 z=−y2b2z = -\frac{y^2}{b^2}(开口向下)
y=0y = 0抛物线 z=x2a2z = \frac{x^2}{a^2}(开口向上)

2.3 双曲面(Hyperboloid)#

(1)单叶双曲面(Hyperboloid of One Sheet)#

x2a2+y2b2−z2c2=1\boxed{\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1}

特征:

  • a=ba = b:旋转单叶双曲面
  • 中间细,两头粗
  • 连通的(单叶)

图形:像腰鼓、冷却塔形状

截痕法:

平面截痕
z=kz = k椭圆(越来越大)
z=0z = 0椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1
x=0x = 0双曲线 y2b2−z2c2=1\frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1
y=0y = 0双曲线 x2a2−z2c2=1\frac{x^2}{a^2} - \frac{z^2}{c^2} = 1

重要性质:过中心的有两族直母线(可由直线构成!)


(2)双叶双曲面(Hyperboloid of Two Sheets)#

x2a2+y2b2−z2c2=−1\boxed{\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} - \frac{z^2}{c^2} = -1}

或写成: z2c2−x2a2−y2b2=1\frac{z^2}{c^2} - \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1

特征:

  • a=ba = b:旋转双叶双曲面
  • 中间断开,分成上下两片
  • 不连通(双叶)

图形:像两个碗,上下分开

截痕法:

平面截痕
z=kz = k(∥k∥>c\|k\| > c)椭圆
z=±cz = \pm c点 (0,0,±c)(0,0,\pm c)
∥z∥<c\|z\| < c无实轨迹(空白)
x=0x = 0双曲线 z2c2−y2b2=1\frac{z^2}{c^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1

三、九种二次曲面标准方程汇总(教材第十二章内容)#

编号名称标准方程图形特征
1椭球面x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1封闭,橄榄形
2单叶双曲面x2a2+y2b2−z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1连通,腰鼓形
3双叶双曲面x2a2+y2b2−z2c2=−1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=-1两片,碗形
4椭圆抛物面z=x2a2+y2b2z=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}碗形,开口向上
5双曲抛物面z=x2a2−y2b2z=\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}马鞍形
6二次锥面x2a2+y2b2−z2c2=0\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=0锥形,过原点
7椭圆柱面x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1柱面,缺 zz
8双曲柱面x2a2−y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1柱面,缺 zz
9抛物柱面y2=2pxy^2=2px柱面,缺 zz

四、快速识别与记忆技巧#

4.1 看右边常数项#

方程形式曲面类型
=1= 1(三项正)椭球面
=1= 1(两正一负)单叶双曲面
=−1= -1 或 =1=1(一正两负)双叶双曲面
=0= 0锥面
=z= z(一次项)抛物面

4.2 看左边平方项系数符号#

符号特征曲面
全正椭球面
两正一负单叶双曲面
一正两负双叶双曲面
一正一负(无第三项)双曲抛物面或双曲柱面

五、旋转曲面与二次曲面的关系#

二次曲面是否为旋转曲面旋转轴母线
球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2✓任意过球心的轴半圆
旋转椭球面 x2+y2a2+z2c2=1\frac{x^2+y^2}{a^2}+\frac{z^2}{c^2}=1✓zz 轴椭圆
一般椭球面 x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1(a≠b≠ca\neq b\neq c)✗——
旋转抛物面 z=x2+y2a2z=\frac{x^2+y^2}{a^2}✓zz 轴抛物线
双曲抛物面 z=x2a2−y2b2z=\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}✗——
旋转单叶双曲面✓zz 轴双曲线
旋转双叶双曲面✓xx 轴双曲线

六、典型例题#

例题1:判断曲面类型#

x2+2y2+3z2=6x^2 + 2y^2 + 3z^2 = 6

解:化为标准形: x26+y23+z22=1\frac{x^2}{6} + \frac{y^2}{3} + \frac{z^2}{2} = 1

答案:椭球面(a=6,b=3,c=2a=\sqrt{6}, b=\sqrt{3}, c=\sqrt{2})


例题2:判断曲面类型#

z=x2+2y2z = x^2 + 2y^2

解:写成: z=x21+y212z = \frac{x^2}{1} + \frac{y^2}{\frac{1}{2}}

答案:椭圆抛物面(a=1,b=22a=1, b=\frac{\sqrt{2}}{2})


例题3:建立旋转曲面#

yOzyOz 面上的抛物线 y2=2zy^2 = 2z 绕 zz 轴旋转,求旋转曲面方程。

解:绕 zz 轴,zz 不变,y→±x2+y2y \to \pm\sqrt{x^2+y^2}

x2+y2=2z\boxed{x^2 + y^2 = 2z}

即 旋转抛物面


如需进一步了解曲面的切平面与法线、曲线的切线与法平面,或二次曲面的直母线,可以继续提问!

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旋转曲面、二次曲面(椭球面、抛物面、双曲面)的表达式
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著者
Boyuan
公開日
2026-05-23
ライセンス
CC BY-NC-SA 4.0
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