12.6 Cylinders and Quadric Surfaces goo.gl/ykqw7s 1
12.6
Cylinders and Quadric Surfaces (page 834)
Cylinders, page 834
q837hF7jM74 通常我們口語在講 柱面或是看到英文 cylinder 這個詞 時, 都會很直覺地 聯想成圓柱。 實際 上柱面這個數學定 義很一般, 只要是 母線沿著一條平面 曲線平行移動生成 出的曲面都稱為柱 面。 所以若日後遇 到 cylinder 這個 字的時候要注意。Definition 1(page 827). A cylinder (柱面) is a surface that consists of all lines (called rulings,
母線) that are parallel to a given line and pass through a given plane curve.
以上述定義,柱面是更一般的概念, 不限定是 「圓柱面」。Example 2 (page 834). The following surfaces are cylinders:
(a) Circular cylinder (圓柱面): x2+ y2= 1. The rulings are parallel to the z-axis.
(b) Parabolic cylinder (拋物柱面): z = x2. The rulings are parallel to the y-axis.
x x y y z z (a) (b)
Figure 1: (a) Circular cylinder. (b) Parabolic cylinder.
Quadric Surfaces, page 835
在這裡必須了解代 數式的操作與幾何 圖 形 的 對 應關 係, 若將二次式改用矩 陣表達時, 利用矩 陣對角 化 的 方 式, 可以把二次式的交 叉項 D, E, F 消 除, 這個操作在幾 何圖形的對應是圖 形的旋轉; 若將方 程 式 進 行 配 方 法, 則可以把一次項消 除, 這個操作對應 到的幾何概念是圖 形的平移。
Definition 3 (page 835). A quadric surfaces (二次曲面) is the graph of a second-degree equation in three variables x, y, an z. The most general such equation is
Ax2+ By2+ Cz2+ Dxy + Eyz + F xz + Gx + Hy + Iz + J = 0,
where A, B, C, . . . , J are constants.
(a) If A = B = C = D = E = F = 0 and one of G, H, I is nonzero, then the surface is a plane.
(b) If one of A, B, C, D, E, F is nonzero, by translation and rotation, it can be brought into one of the two standard forms
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Six types of quadric surfaces in standard form, page 837
d2R4Kvz-brE 這裡要認識六種非 退 化 的 二 次 曲 面, 圖形與對應的方程 式之間應該要想清 楚, 透過與坐標平 面平行的平面與圖 形相截得到的二次 曲線可以幫助了解 曲面的形狀。 這六 種二次曲面的認識 是為了之後多變數 微積分而準備。 多 變數微積分的其中 一個學習重點是了 解曲面長相, 像是 彎曲的現象與極值 的討論。 x x y y z z Figure 2: Ellipsoid (
橢球
) x2 a2 + y2 b2 + z2 c2 = 1 and cone (錐
) z2 c2 = x2 a2 + y2 b2. x x y y z zFigure 3: Elliptic paraboloid (
橢圓拋物面
) zc =
x2
a2+
y2
b2, c >0 and hyperbolic paraboloid
(
雙曲拋物面
) z c = x2 a2 − y2 b2, c <0. x x y y z zFigure 4: Hyperboloid of one sheet (
單葉雙曲面
) x2a2 + y2 b2 − z 2 c2 = 1 and hyperboloid of two sheets (
雙葉雙曲面
) −x2 a2 − y 2 b2 + z2 c2 = 1.Exercise (page 840). Classify the following surfaces.
(a) 4x2+ y2+ 4z2 − 4y − 24z + 36 = 0. (b) x2 − y2+ z2− 4x − 2y − 2z + 4 = 0. (c) 4y2+ z2 − x − 16y − 4z + 20 = 0. (d) z = x2 − y2. (e) y2+ z2 = 1 + x2. (f) −4x2+ y2− 4z2 = 4.