3. Конические поверхности.

Поверхность, составленная из всех прямых, пересекающих данную линию L и проходящих через данную точку Р, называется конической поверхностью. При этом линия L называется направляющей конической поверхности, точка Р - ее вершиной, а каждая из прямых, составляющих коническую поверхность, образующей.

В качестве примера рассмотрим коническую поверхность с вершиной в начале координат, для которой направляющей является эллипс:

(10)

с полуосями а и b, лежащий в плоскости Z = c. Эта поверхность называется конусом второго порядка. Выведем ее уравнение.

Рассмотрим произвольно выбранную точку М (х; у; z ) конической поверхности и проведем через нее образующую ОМ, пересекающуюся с направляющей в точке N (X; Y; с) (рис. 5). Составим уравнение прямой ОМ, проходящей через точки 0 (0; 0; 0) и N (X; У; с)

или .

Отсюда X = cx/z; Y = cy/z. Подставив эти выражения во второе из уравнений эллипса (11), получим , или, после преобразования, .

Мы получили уравнение конуса второго порядка. В частности, если а = b, то направляющей является окружность

а поверхность является прямым круговым конусом. Его уравнение

. (11)

Рис6 Рис. 5

4. Поверхность вращения.

Пусть линия L, лежащая в плоскости Oyz, задана уравнениями

(12)

Рассмотрим поверхность, образованную вращением этой линии отно­сительно оси Оz (рис. 6). ( Текущие координаты линии L мы обозначаем большими буквами X, Y в Z, чтобы отличить их от текущих координат х, у, z поверхности вращения.)

Эта поверхность называется поверхностью вращения. Найдем ее уравнение. Пусть М (х; у; z) - произвольно выбранная точка поверхности вращения. Проведем через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oz, и обозначим точки пересечения этой плоскости с осью Oz и кривой L соответственно через К и N. Отрезки КМ и KN являются радиусами одной и той же окружности. Поэтому КМ = KN. Но длина отрезка KN равна абсолютной величине ординаты Y точки N, т. е. KN = |Y|, a KM = OP = . Следовательно,

| Y |= или Y = . Кроме того, аппликата Z точки N, очевидно, равна аппликате z точки М.

Так как точка N лежит на линии L, заданной уравнениями (12), то координаты Y и Z точки N удовлетворяют второму из этих уравнений. Подставляя в него вместо Y и Z, соответственно, равные им величины и z, получим уравнение:

, (13)

которому удовлетворяют координаты любой точки М (х; у; z) поверхности вращения. Можно показать, что координаты точек, не лежащих на этой поверхности, уравнению (13) не удовлетворяют. Таким образом, уравнение (13) является уравнением поверхности вращения относительно оси Оz линии L, определяемой уравнениями (12). Уравнение (13) получается из второго уравнения системы (12) заменой в нем координат Y и Z координатами х, у и z по формулам:

(14)

Замечание. Мы считали, что кривая L задана в плоскости Oyz и вращается относительно оси Oz. Однако кривая L может быть задана и в другой координатной плоскости и может вращаться относительно другой координатной оси. Формулы, подобные формулам (12), (13) и (14), легко составить.

Пример. Найти уравнение поверхности вращения эллипса

относительно оси Оz.

Решение. Записав уравнение эллипса в виде

и заменяя в нем по формулам (14) Y и Z текущими координатами х, у и z поверхности вращения, получим искомое уравнение , или

.

Полученная поверхность называется эллипсоидом вращения.