我来详细解析图片中的所有题目(第3-8题),这些都是柱面、投影与参数方程的经典考题。
第3题:求柱面方程#
题目:分别求母线平行于 x 轴及 y 轴,且通过曲线 {2x2+y2+z2=16x2+z2−y2=0 的柱面方程。
3.1 母线平行于 x 轴的柱面#
核心:柱面方程缺 x,即消去 x
步骤:
从第二个方程:x2=y2−z2
代入第一个方程:
2(y2−z2)+y2+z2=16
2y2−2z2+y2+z2=16
3y2−z2=16
3y2−z2=16
验证:方程缺 x,母线平行 x 轴 ✓
这是双曲柱面,准线为 yOz 面上的双曲线。
3.2 母线平行于 y 轴的柱面#
核心:柱面方程缺 y,即消去 y
步骤:
从第二个方程:y2=x2+z2
代入第一个方程:
2x2+(x2+z2)+z2=16
3x2+2z2=16
3x2+2z2=16
或写成:
316x2+8z2=1
验证:方程缺 y,母线平行 y 轴 ✓
这是椭圆柱面,准线为 xOz 面上的椭圆。
第4题:求投影曲线方程#
题目:求球面 x2+y2+z2=9 与平面 x+z=1 的交线在 xOy 面上的投影的方程。
投影到 xOy 面 = 求投影柱面(消去 z)+ 联立 z=0
第一步:消去 z,求投影柱面
从平面方程:z=1−x
代入球面方程:
x2+y2+(1−x)2=9
x2+y2+1−2x+x2=9
2x2−2x+y2=8
配方:
2(x−21)2−21+y2=8
2(x−21)2+y2=217
或保留:
2x2+y2−2x=8
这是椭圆柱面(母线平行 z 轴)
第二步:投影曲线方程
{2x2+y2−2x=8z=0
或写成标准形式:
⎩⎨⎧417(x−21)2+217y2=1z=0
这是 xOy 面上的椭圆。
第5题:将曲线的一般方程化为参数方程#
5.1 第(1)小题#
题目:{x2+y2+z2=9y=x
分析:这是球面与平面的交线(圆),用 y=x 消元
步骤:
将 y=x 代入球面:
x2+x2+z2=9
2x2+z2=9
令 x=23cosθ=232cosθ
则 z2=9−2⋅29cos2θ=9(1−cos2θ)=9sin2θ
所以 z=3sinθ(或 −3sinθ,取一支)
参数方程:
⎩⎨⎧x=232cosθy=232cosθz=3sinθ(0≤θ≤2π)
5.2 第(2)小题#
题目:{(x−1)2+y2+(z+1)2=4z=0
分析:将 z=0 代入球面方程,得到 xOy 面上的圆
步骤:
代入 z=0:
(x−1)2+y2+1=4
(x−1)2+y2=3
这是圆心 (1,0),半径 3 的圆。
参数方程:
⎩⎨⎧x=1+3cosθy=3sinθz=0(0≤θ≤2π)
第6题:求螺旋线的投影曲线#
题目:求螺旋线 ⎩⎨⎧x=acosθy=asinθz=bθ 在三个坐标面上的投影曲线的直角坐标方程。
6.1 在 xOy 面上的投影#
方法:消去 z(即消去 θ 中的 z 关系)
由 x=acosθ,y=asinθ:
x2+y2=a2cos2θ+a2sin2θ=a2
且 z=0
{x2+y2=a2z=0
几何意义:圆,螺旋线在水平面上的”影子”是圆。
6.2 在 yOz 面上的投影#
方法:消去 x
由 y=asinθ,得 sinθ=ay,所以 θ=arcsinay
则 z=bθ=barcsinay
即:
x=0,z=barcsinay
或写成:
sinbz=ay,x=0
即 y=asinbz,x=0
这是正弦曲线!
6.3 在 xOz 面上的投影#
方法:消去 y
由 x=acosθ,得 θ=arccosax
则 z=barccosax
y=0,z=barccosax
或写成:
x=acosbz,y=0
这也是余弦曲线!
螺旋线投影总结#
| 投影面 | 投影曲线 | 形状 |
|---|
| xOy 面 | x2+y2=a2,z=0 | 圆 |
| yOz 面 | y=asinbz,x=0 | 正弦曲线 |
| xOz 面 | x=acosbz,y=0 | 余弦曲线 |
第7题:求公共部分的投影#
题目:求上半球 0≤z≤a2−x2−y2 与圆柱体 x2+y2≤ax (a>0) 的公共部分在 xOy 面和 xOz 面上的投影。
7.1 在 xOy 面上的投影#
分析:两曲面交线在 xOy 面上的投影 = 投影柱面与 z=0 的交线
关键:上半球与圆柱体的公共部分在 xOy 上的投影,就是圆柱体在 xOy 上的截面
圆柱 x2+y2≤ax 配方:
(x−2a)2+y2≤4a2
这是圆心 (2a,0),半径 2a 的圆盘。
(x−2a)2+y2≤4a2,z=0
或写成:
x2+y2≤ax,z=0
7.2 在 xOz 面上的投影#
分析:需要消去 y
步骤:
边界曲线由两曲面交线确定:
- 球面:x2+y2+z2=a2(取 z≥0)
- 圆柱:x2+y2=ax
消去 y:从圆柱 y2=ax−x2(需 ax−x2≥0,即 0≤x≤a)
代入球面:
ax+z2=a2
z2=a2−ax=a(a−x)
所以 z=a(a−x)(上半球 z≥0)
x 的范围:由 y2=ax−x2≥0,得 0≤x≤a
投影区域:
0≤x≤a,0≤z≤a(a−x),y=0
或写成:
⎩⎨⎧z2≤a(a−x)0≤x≤az≥0y=0
这是 xOz 面上的抛物线区域(由抛物线 z2=a(a−x) 围成)
第8题:求旋转抛物面的投影#
题目:求旋转抛物面 z=x2+y2 (0≤z≤4) 在三坐标面上的投影。
8.1 在 xOy 面上的投影#
分析:抛物面向下投影,边界为 z=4 时的圆
z=4 时:x2+y2=4
投影区域为圆盘:
x2+y2≤4,z=0
8.2 在 yOz 面上的投影#
分析:消去 x
由 z=x2+y2≥y2,即 z≥y2
又 0≤z≤4
对于固定的 y,x 的范围:x2=z−y2≥0,需 z≥y2
y 的范围:由 y2≤z≤4,最大时 y2≤4,即 −2≤y≤2
y2≤z≤4,x=0
这是 yOz 面上由抛物线 z=y2 和直线 z=4 围成的区域。
8.3 在 xOz 面上的投影#
由对称性(x 和 y 对称):
x2≤z≤4,y=0
全部答案汇总#
| 题号 | 答案 |
|---|
| 3(1) | 3y2−z2=16(双曲柱面,母线// x 轴) |
| 3(2) | 3x2+2z2=16(椭圆柱面,母线// y 轴) |
| 4 | {2x2+y2−2x=8z=0(椭圆) |
| 5(1) | x=232cosθ, y=232cosθ, z=3sinθ |
| 5(2) | x=1+3cosθ, y=3sinθ, z=0 |
| 6 | xOy: 圆;yOz: 正弦曲线;xOz: 余弦曲线 |
| 7 | xOy: 圆盘 x2+y2≤ax;xOz: 抛物线区域 z2≤a(a−x) |
| 8 | xOy: 圆盘 x2+y2≤4;yOz: y2≤z≤4;xOz: x2≤z≤4 |
如需第1-2题或其他章节的解析,可以继续提问!