§ 2.17. Поверхні другого порядку.

У цьому параграфі коротко розглянемо поверхні другого порядку, тобто поверхні, які в прямокутній системі координат Oxyz описуються алгебраїчними рівняннями другого порядку відносно змінних x, y, z. Для кожної з поверхонь теоретичний матеріал буде викладатися у наступній послідовності: назва поверхні, ії рівняння, схематичне зображення, короткі пояснення.

1. Еліпсоїд.

(17.1)

Величини 2а, 2b, 2c (a, b, c) називаються осями (напівосями) еліпсоїда. Якщо а=b=c, то рівняння (17.1) перетворюється в рівняння сфери:

. (17.2)

2. Однополосний гіперболоїд.

, (17.3)

, (17.4)

(17.5)

3. Двополосний гіперболоїд.

, (17.6)

, (17.7)

(17.8)

4. Еліптичний параболоїд.

(17.9)

(17.10)

(17.11)

Нерівність обумовлює те, що в кожному з рівнянь або .

5. Гіперболічний параболоїд.

(17.12)

(17.13)

(17.14)

6. Циліндричні поверхні.

(17.15)

(17.16)

. (17.17)

Поверхні (17.15), (17.16) і (17.17) називаються еліптичним, гіперболічним і параболічним циліндрами відповідно. Якщо у формулі (17.15) a = b, то маємо рівняння кругового циліндра. У загальному випадку циліндричні поверхні утворюються наступним чином: пряма, яка називається твірною, рухається паралельно самій собі уздовж деякої кривої, яка називається напрямною. Для рівняння (17.17), наприклад, твірною є пряма, що паралельна осі Оz, а напрямною – парабола в координатній площині Oxy.

Якщо твірна циліндричної поверхні паралельна координатній осі, то рівняння цієї поверхні не містить відповідної змінної. Так, рівняння (17.15 – 17) описують поверхні, твірні яких паралельні осі Oz,. а рівняння є рівнянням гіперболічного циліндра, твірна якого паралельна осі Оу.

7. Конічні поверхні.

, (17.18)

, (17.19)

(17.20)

Рівняння (17.1 – 20) є так званими канонічними рівняннями поверхонь другого порядку. Кожне з них записане для поверхні, яка розміщена певним чином відносно прямокутної системи координат Oxyz.

Приклад 1. Побудувати схематично тіло у просторі, яке обмежене поверхнями

Розв’язання. Перше рівняння – це рівняння кругового циліндра, твірна якого паралельна осі Oz (відсутня змінна z); друге – це рівняння двополосного гіперболоїда. На рис.35 побудовані дані поверхні, а на рис.36 – шукане тіло.

Для побудови даної поверхні зручно визначати лінії перетину цієї поверхні з деякими площинами.

Приклад 2. Визначити лінії перетину двополосного гіперболоїда із площинами .

Розв’язання. Шукані лінії задаються наступними системами:

Перша і друга системи визначають гіперболи, а третя – коло радіуса 4.

§ 2.18. Загальне рівняння поверхні другого порядку та його спрощення у деяких частинних випадках.

Загальне рівняння поверхні другого порядку можна записати у вигляді Ax²+By²+Cz²+Dxy+Eyz+Fxz+Kx+Ly+Mz+N=0. Якщо в даному рівнянні D=E=F=0 (відсутні добутки), то маємо

(18.1)

Останнє рівняння досить легко зводиться до одного з канонічних рівнянь (17.1 – 20). Укажемо як це робиться на конкретному прикладі.

Приклад 1. Поверхня другого порядку задана рівнянням Спростити дане рівняння, визначити тип поверхні та зробити схематичний рисунок.

Розв’язання. Задане рівняння відноситься до частинного випадку (18.1). Групуємо доданки з однаковими змінними і виділяємо повні квадрати. Маємо

П ерейдемо до нових змінних за допомогою формул : Іншими словами, шляхом паралельного переносу здійснюємо перехід до нової системи координат , причому – координати нового початку в старій системі. Розв’язавши останнє рівняння відносно , здобудемо Отже, задане рівняння є рівнянням еліптичного параболоїда (див. ф-у (17.9)). Будуємо поверхню (рис.37).