§4.2 锥 面
一、概念:
在空间,通过一定点且与定曲线相交的一族直线所产生的曲面叫做锥面,这些直线都叫做锥面的母线,那个定点叫做锥面的顶点,定曲线叫做锥面的准线.
二、方程:
如图4-2, 设锥面的准线为
顶点为A (x 0, y 0, z 0). 如果M 1(x 1, y 1, z 1) 为准线上的任意点, 那么锥面过点M 1的母线为
=且有
=,
从以上四个等式中消去参数x 1, y 1, z 1,最后得一个三元方程
F (x , y , z ) =0,
这就是所求的锥面方程.
三. 性质:
1. 设λ为实数,对于函数f (x , y , z ) ,如果有
f (tx , ty , tz ) =t λf (x , y , z ),
其中t 的取值应使t λ有确定的意义,那么f (x , y , z ) 叫做λ次齐次函数,f (x , y , z ) =0叫做λ次齐次方程. 该定义可以推广到n 个变量的情况.
2. 一个关于x , y , z 的齐次方程总表示顶点在坐标原点的锥面,其退化情形为一点,222222如x +y +z =0, (x -x 0) +(y -y 0) +(z -z 0) =0.
3. 一个关于x -x 0, y -y 0, z -z 0的齐次方程总表示顶点在(x 0, y0, z 0) 的锥面. 例1. 已知准线Γ:和顶点N (0, 0, 8),求锥面方程.
解:设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任意一点,则过M 1的母线方程为
==, 或
且
2消去x 1, y 1, z 1就有 2y +xz -8x =0.
例2. 求以三坐标轴为母线的圆锥面的方程.
解:因为所求锥面以三个坐标轴为母线,故所求圆锥面有四个,它们的顶点都在坐标原点,其中一个锥面的准线方程为
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任意一点,则过M 1的母线方程为
Γ:
=
=,
且
将x 1=xt , y 1=yt , z 1=zt 代入上式,消去t 得所求圆锥面方程为
xy +yz +zx =0.
仿此可求得另三个圆锥面方程为
xy +yz -zx =0,
xy -yz +zx =0,
-xy +yz +zx =0.
例3. 求顶点为(1, 2, 4),轴与平面2x +2y +z =0垂直,且经过点(3, 2, 1)
的圆锥面的方程.
解法一:由题意,其准线方程为
即
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为准线上任意一点,则过M 1的母线方程为
==,
且
以上四式消去参数x 1, y 1, z 1,得所求圆锥面方程为
22251(x -1) +51(y -2) +12(z -4) +104(x -1)(y -2)
+52(x -1)(z -4) +52(y -2)(z -4) =0. 解法二:依题设所求圆锥面的轴的方向为={2, 2, 1},过已知点(3, 2, 1)的母线方向={2, 0, -3}. 设M (x , y , z ) 为圆锥面上任意一点,则过M 的母线方向为={x -1, y -2, z -4,},由于∠(
于是
) =∠(=) ,从而cos ∠( 或
=, ) =cos ∠(),
即
=,
化简即得所求圆锥面方程为
22251(x -1) +51(y -2) +12(z -4) +104(x -1)(y -2)
+52(x -1)(z -4) +52(y -2)(z -4) =0,
22或 51x +51y +104xy +52xz +52yz -518x -516y -252z +1279=0.
例4. 已知两相交直线l 1:x =y =z 与l 2:==,试求以l 1为轴且通过直线l 2的圆锥面的方程.
解:因为l 1与l 2相交于原点O (0, 0, 0),即为所求圆锥面的顶点,
在母线l 2上取一点A (2, -1, 2),则过A 且与l 1垂直的平面为
π:x +y +z -3=0,
以原点为中心,||=3为半径的球面为
S :x 2+y 2+z 2=9,
π与S 的交线即为所求圆锥面的准线
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任一点,则过M 1的母线方程为
==, Γ:
且
以上四式消去x 1, y 1, z 1得所求圆锥面方程为
xy +yz +zx =0.
作业题:
1. 求顶点在原点,准线为的锥面方程.
2. 求顶点在(0, -a , 0),准线为的锥面方程(a ≠0).
2223. 求锥面x -(y -a ) -z =0的顶点,并求它在y =b 上的准线方程.
§4.2 锥 面
一、概念:
在空间,通过一定点且与定曲线相交的一族直线所产生的曲面叫做锥面,这些直线都叫做锥面的母线,那个定点叫做锥面的顶点,定曲线叫做锥面的准线.
二、方程:
如图4-2, 设锥面的准线为
顶点为A (x 0, y 0, z 0). 如果M 1(x 1, y 1, z 1) 为准线上的任意点, 那么锥面过点M 1的母线为
=且有
=,
从以上四个等式中消去参数x 1, y 1, z 1,最后得一个三元方程
F (x , y , z ) =0,
这就是所求的锥面方程.
三. 性质:
1. 设λ为实数,对于函数f (x , y , z ) ,如果有
f (tx , ty , tz ) =t λf (x , y , z ),
其中t 的取值应使t λ有确定的意义,那么f (x , y , z ) 叫做λ次齐次函数,f (x , y , z ) =0叫做λ次齐次方程. 该定义可以推广到n 个变量的情况.
2. 一个关于x , y , z 的齐次方程总表示顶点在坐标原点的锥面,其退化情形为一点,222222如x +y +z =0, (x -x 0) +(y -y 0) +(z -z 0) =0.
3. 一个关于x -x 0, y -y 0, z -z 0的齐次方程总表示顶点在(x 0, y0, z 0) 的锥面. 例1. 已知准线Γ:和顶点N (0, 0, 8),求锥面方程.
解:设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任意一点,则过M 1的母线方程为
==, 或
且
2消去x 1, y 1, z 1就有 2y +xz -8x =0.
例2. 求以三坐标轴为母线的圆锥面的方程.
解:因为所求锥面以三个坐标轴为母线,故所求圆锥面有四个,它们的顶点都在坐标原点,其中一个锥面的准线方程为
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任意一点,则过M 1的母线方程为
Γ:
=
=,
且
将x 1=xt , y 1=yt , z 1=zt 代入上式,消去t 得所求圆锥面方程为
xy +yz +zx =0.
仿此可求得另三个圆锥面方程为
xy +yz -zx =0,
xy -yz +zx =0,
-xy +yz +zx =0.
例3. 求顶点为(1, 2, 4),轴与平面2x +2y +z =0垂直,且经过点(3, 2, 1)
的圆锥面的方程.
解法一:由题意,其准线方程为
即
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为准线上任意一点,则过M 1的母线方程为
==,
且
以上四式消去参数x 1, y 1, z 1,得所求圆锥面方程为
22251(x -1) +51(y -2) +12(z -4) +104(x -1)(y -2)
+52(x -1)(z -4) +52(y -2)(z -4) =0. 解法二:依题设所求圆锥面的轴的方向为={2, 2, 1},过已知点(3, 2, 1)的母线方向={2, 0, -3}. 设M (x , y , z ) 为圆锥面上任意一点,则过M 的母线方向为={x -1, y -2, z -4,},由于∠(
于是
) =∠(=) ,从而cos ∠( 或
=, ) =cos ∠(),
即
=,
化简即得所求圆锥面方程为
22251(x -1) +51(y -2) +12(z -4) +104(x -1)(y -2)
+52(x -1)(z -4) +52(y -2)(z -4) =0,
22或 51x +51y +104xy +52xz +52yz -518x -516y -252z +1279=0.
例4. 已知两相交直线l 1:x =y =z 与l 2:==,试求以l 1为轴且通过直线l 2的圆锥面的方程.
解:因为l 1与l 2相交于原点O (0, 0, 0),即为所求圆锥面的顶点,
在母线l 2上取一点A (2, -1, 2),则过A 且与l 1垂直的平面为
π:x +y +z -3=0,
以原点为中心,||=3为半径的球面为
S :x 2+y 2+z 2=9,
π与S 的交线即为所求圆锥面的准线
设M 1(x 1, y 1, z 1) 为Γ上任一点,则过M 1的母线方程为
==, Γ:
且
以上四式消去x 1, y 1, z 1得所求圆锥面方程为
xy +yz +zx =0.
作业题:
1. 求顶点在原点,准线为的锥面方程.
2. 求顶点在(0, -a , 0),准线为的锥面方程(a ≠0).
2223. 求锥面x -(y -a ) -z =0的顶点,并求它在y =b 上的准线方程.