Powierzchnie cz 1

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

1

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

w R

w R

3

3

1

MiNI PW

2

Definicja

Powierzchnią obrotową nazywamy
powierzchnię utworzoną przez obrót krzywej
wokół prostej zwanej osią obrotu.

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

2

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

3

x

y

z

r(t)

MiNI PW

4

Niech

L

:

=

=

=

)

(

)

(

)

(

3

2

1

t

f

z

t

f

y

t

f

x

,

t

[

t

0

, t

1

]

będzie przedstawieniem parametrycznym krzywej w

R

3

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Jeśli za oś obrotu przyjmiemy oś

Oz

to każdy punkt krzywej

L

zakreśla okrąg

o promieniu

)

(

)

(

)

(

2

2

2

1

t

f

t

f

t

r

+

=

, którego równanie możemy napisać w postaci:

)

2

,

0

[

)

(

sin

)

(

cos

)

(

3

π

α

α

α

=

=

=

t

f

z

t

r

y

t

r

x

Stąd układ równań


definiuje powierzchnię obrotową powstałą przez obrót krzywej

L

wokół osi

Oz

=

+

=

+

)

(

)

(

)

(

3

2

2

2

1

2

2

t

f

z

t

f

t

f

y

x

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

3

MiNI PW

5

Paraboloida obrotowa

Paraboloida obrotowa

y

x

z

MiNI PW

6

Przykład

Wyznaczyć równanie powierzchni powstałej z obrotu paraboli

L

:

=

=

0,

2

x

y

z

dookoła osi

OZ.

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Postać parametryczna równań paraboli

K

:

R

t

t

z

t

y

x

=

=

=

2

0

Podstawiając do wzoru otrzymujemy

R

t

t

z

t

y

x



=

+

=

+

2

2

2

2

2

0

Eliminując z układu t dostajemy równanie paraboloidy obrotowej

2

2

y

x

z

+

=

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

4

MiNI PW

7

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Obracaj

ą

c dookoła osi OZ parabol

ę

:

otrzymamy równanie powierzchni stopnia drugiego:

paraboloid

ę

obrotow

ą

pz

y

x

2

2

2

=

+

=

=

0

2

2

x

pz,

y

Paraboloida eliptyczna

Paraboloida eliptyczna

8

Uogólnieniem tej powierzchni jest
paraboloida eliptyczna o równaniu:

pz

b

y

a

x

2

2

2

2

2

=

+

MiNI PW

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

5

MiNI PW

9

Przekroje paraboloidy eliptycznej płaszczyznami prostopadłymi do osi

Oz

są elipsami.

Przekroje paraboloidy eliptycznej płaszczyznami zawierającymi oś

Oz

są parabolami.

Szczególnym przypadkiem paraboloidy eliptycznej jest paraboloida

obrotowa, powstała przez obrót paraboli wokół osi symetrii.

Paraboloida eliptyczna

MiNI PW

10

Układ równań

=

+

=

+

)

(

)

(

)

(

2

2

3

2

1

2

2

t

f

y

t

f

t

f

z

x

definiuje powierzchnię obrotową powstałą przez obrót krzywej

L

wokół osi

Oy.



Natomiast układ równań

=

+

=

+

)

(

)

(

)

(

1

2

3

2

2

2

2

t

f

x

t

f

t

f

z

y

definiuje powierzchnię obrotową powstałą przez obrót krzywej

L

wokół osi

Ox.

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

6

MiNI PW

11

Wyznaczy

ć

równanie powierzchni powstałej z obrotu

elipsy dookoła osi OZ.

równanie elipsoidy obrotowej:

1

2

2

2

2

2

2

=

+

+

c

z

b

y

b

x

Z równania elipsy

zast

ę

puj

ą

c

y

2

sum

ą

x

2

+ y

2

otrzymujemy:

1

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Elipsoida

Elipsoida

12

Ogólne równanie elipsoidy ma posta

ć

:

1

2

2

2

2

2

2

=

+

+

c

z

b

y

a

x

x

z

y

MiNI PW

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

7

MiNI PW

13

Elipsoida

2

2

2

2

2

2

1

x

y

z

a

b

c

+

+

=

Elipsoida

Elipsoida

Elipsoida

Wszystkie przekroje płaskie elipsoidy s

ą

elipsami.

Szczególnym przypadkiem elipsoidy jest elipsoida obrotowa,
powstała przez obrót elipsy wokół jednej z osi symetrii:

je

ś

li a = b to obrotowa o osi obrotu Oz,

je

ś

li a = c to obrotowa o osi obrotu Oy,

je

ś

li b = c to obrotowa o osi obrotu Ox.

Równanie elipsoidy o

ś

rodku w punkcie (

x

0

, y

0

, z

0

), osiach

równoległych do osi układu i półosiach długo

ś

ci

a, b, c

ma

posta

ć

:

14

1

)

(

)

(

)

(

2

2

0

2

2

0

2

2

0

=

+

+

c

z

z

b

y

y

a

x

x

MiNI PW

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

8

MiNI PW

15

Uwaga

Dla

a = b = c

, otrzymujemy równanie sfery.

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

MiNI PW

16

Obracaj

ą

c dookoła osi OZ hiperbol

ę

Γ

:

otrzymamy równanie powierzchni stopnia drugiego:



=

=

,

x

,

c

z

b

y

0

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

x

Hiperboloid

ę

jednopowłokow

ą

obrotow

ą

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

9

MiNI PW

17

Ogólne równanie

hiperboloidy

jednopowłokowej

ma posta

ć

:

1

2

2

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

a

x

MiNI PW

18

Obracaj

ą

c t

ę

sam

ą

hiperbol

ę

Γ

:

dookoła osi OX,

otrzymamy równanie:



=

=

0

1

2

2

2

2

x

,

c

z

b

y

1

2

2

2

2

2

=

+

c

z

x

b

y

Hiperboloidy

dwupowłokowej

obrotowej

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

10

Hiperboloida dwupowłokowa

Hiperboloida dwupowłokowa

19

Ogólne równanie
ma posta

ć

:

1

2

2

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

a

x

1

2

2

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

a

x

czyli równowa

ż

nie:

1

2

2

2

2

2

2

=

b

y

a

x

c

z

MiNI PW

MiNI PW

20

Obracając prostą przecinającą oś OZ otrzymamy
stożek obrotowy.

2

2

2

2

2

c

z

b

y

x

=

+

Równanie

2

2

2

2

2

2

x

y

z

a

b

c

+

=

j

est równaniem stożka eliptycznego.

Sto

ż

ek

Sto

ż

ek

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

11

MiNI PW

ALGEBRA

21

Obracając prostą równoległą do osi OZ otrzymamy
walec obrotowy
:

1

2

2

2

2

=

+

a

y

a

x


Walec eliptyczny
ma równanie:

1

2

2

2

2

=

+

b

y

a

x

y

z

x

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

MiNI PW

ALGEBRA

22

Walec hiperboliczny

1

2

2

2

2

=

b

y

a

x

;

x

y

z

O

Powierzchnie walcowe

Powierzchnie walcowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

12

MiNI PW

ALGEBRA

23

Walec paraboliczny

x

2

= 2py

Powierzchnie walcowe

Powierzchnie walcowe

x

O

y

z

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Obracaj

ą

c prost

ą

równoległ

ą

do osi OZ otrzymali

ś

my walec.

Obracaj

ą

c prost

ą

przecinaj

ą

c

ą

o

ś

OZ otrzymali

ś

my sto

ż

ek.

A co uzyskamy obracaj

ą

c

prost

ą

sko

ś

n

ą

do osi OZ ?

Hiperboloid

ę

jednopowłokow

ą

24

MiNI PW

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

13

MiNI PW

25

Przykład

Wyznaczyć równanie powierzchni powstałej z obrotu prostej

R

t

t

z

y

t

x

=

=

=

1

dookoła osi

OZ.

Powierzchnie obrotowe

Powierzchnie obrotowe

Podstawiając do wzoru otrzymujemy

R

t

t

z

t

y

x

=

+

=

+

2

2

2

2

1

Eliminując z układu

t

dostajemy równanie obrotowej hiperboloidy

jednopowłokowej

1

2

2

2

=

+

z

y

x

Identyczne równanie otrzymamy z obrotu prostej

R

t

t

z

t

y

x

=

=

=

1

Zauważmy, że obie proste przechodzą przez
punkt (1,1,1) należący do hiperboloidy.

MiNI PW

26

Hiperboloida jednopowłokowa

2

2

2

2

2

2

1

x

y

z

a

b

c

+

=

(Wikipedia)

Powierzchnie prostokre

ś

lne

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

14

Powierzchnie

Powierzchnie prostokre

ś

lne

prostokre

ś

lne

UWAGA:

Płaszczyzny walcowe i sto

ż

kowe s

ą

powierzchniami prostokre

ś

lnymi.

Definicja

Powierzchnia prostokre

ś

lna to powierzchnia, przez której ka

ż

dy punkt

przechodzi prosta całkowicie zawarta w tej powierzchni.

Powierzchniami prostokre

ś

lnymi s

ą

:

powierzchnie walcowe

sto

ż

ek i inne powierzchnie sto

ż

kowe

płaszczyzna

(jest zarówno powierzchni

ą

walcow

ą

jak i sto

ż

kow

ą

)

hiperboloida jednopowłokowa

paraboloida hiperboliczna (

powierzchnia siodłowa

)

a tak

ż

e

helikoida

Powierzchnia jest podwójnie prostokre

ś

lna, gdy przez ka

ż

dy jej punkt

przechodz

ą

dwie ró

ż

ne proste.

Jedynymi powierzchniami podwójnie prostokre

ś

lnymi s

ą

płaszczyzna,

hiperboloida jednopowłokowa i paraboloida hiperboliczna.

27

MiNI PW

MiNI PW

28

Paraboloida hiperboliczna

(powierzchnia siodłowa)

2

2

2

2

x

y

z

a

b

=



przekroje płaszczyznami prostopadłymi do osi Oz s

ą

hiperbolami

(

z wyj

ą

tkiem płaszczyzny przechodz

ą

cej przez pocz

ą

tek układu współrz

ę

dnych

– wówczas cz

ęś

ci

ą

wspóln

ą

s

ą

dwie proste przecinaj

ą

ce si

ę

):

przekroje płaszczyznami prostopadłymi do osi Ox i Oy s

ą

parabolami

,

np.

Powierzchnie prostokre

ś

lne

0

2

2

=

=

x

przy

b

y

z

0

2

2

=

=

y

przy

a

x

z

0

,

0

=

+

=

b

y

a

x

b

y

a

x

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

15

MiNI PW

29

Paraboloida hiperboliczna

(powierzchnia siodłowa)

Przez każdy punkt powierzchni przechodzą dwie proste
nazywane tworzącymi.

Równanie

z

b

y

a

x

=

2

2

2

2

zapiszmy w postaci

z

b

y

a

x

b

y

a

x

=

+

.

Mamy więc albo




=

=

+

α

β

β

α

b

y

a

x

z

b

y

a

x

albo




=

=

+

z

b

y

a

x

b

y

a

x

γ

δ

δ

γ

przy założeniu

0

2

2

+

β

α

Są to równania krawędziowe 2 prostych tworzących
powierzchnię paraboloidy hiperbolicznej i przecinających się.

Powierzchnie prostokre

ś

lne

MiNI PW

30

Hiperboliczna jednopowłokowa

Przez każdy punkt powierzchni przechodzą dwie proste
nazywane tworzącymi.

Równanie

1

2

2

2

2

2

2

=

+

c

z

b

y

a

x

zapiszmy w postaci

2

2

2

2

2

2

1

b

y

c

z

a

x

=

a następnie w postaci iloczynowej

+

=

+

b

y

b

y

c

z

a

x

c

z

a

x

1

1

.

Mamy więc




=

+

+

=

+

b

y

c

z

a

x

b

y

c

z

a

x

1

1

α

β

β

α

oraz




+

=

+

=

+

b

y

c

z

a

x

b

y

c

z

a

x

1

1

γ

δ

δ

γ

.

Są to równania krawędziowe 2 prostych tworzących
powierzchnię paraboloidy hiperbolicznej i przecinających się.

Powierzchnie prostokre

ś

lne

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

16

MiNI PW

31

Helikoida

Helikoida to powierzchnia, którą tworzy krzywa obracająca się wokół
prostej ze stałą prędkością kątową i jednocześnie przesuwająca się
równolegle do tej prostej ze stałą prędkością liniową.

Przykładami wykorzystania helikoidy mogą być:

wałek maszynki do mięsa

powierzchnia wiertła

powierzchnia śruby

spiralna klatka schodowa

Powierzchnie prostokre

ś

lne

MiNI PW

ALGEBRA

32

UZUPEŁNIENIE i ROZSZERZENIE

Ogólna postać powierzchni walcowych

i stożkowych w przestrzeni

R

3

.

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

17

MiNI PW

ALGEBRA

33

Niech

L

będzie pewną krzywą płaską (leżącą na

pewnej płaszczyźnie) w przestrzeni

R

3

.

Definicja

Powierzchnią walcową nazywamy powierzchnię
utworzoną przez rodzinę prostych równoległych do
danej prostej i przechodzących przez punkty
krzywej

L

.

Krzywą

L

nazywamy kierownicą.

Każdą prostą tej rodziny tworzącą powierzchni
walcowej.

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

MiNI PW

ALGEBRA

34

N

iech

L

będzie pewną krzywą płaską (leżącą na pewnej

płaszczyźnie) w przestrzeni

R

3

, zaś

W

ustalonym punktem tej

przestrzeni (

W

L

).

Definicja

Powierzchnią stożkową nazywamy zbiór punktów
współliniowych z punktami

W

i

P

, gdzie

P

należy do

krzywej

L

(tzn. powierzchnię utworzoną przez rodzinę

prostych przechodzących przez punkt

W

i punkty krzywej

L)

.

Krzywą

L

nazywamy kierownicą.

Punkt

W

nazywamy wierzchołkiem stożka.

Każdą prostą tej rodziny tworzącą powierzchni stożkowej.

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

Powierzchnie walcowe i sto

ż

kowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

18

MiNI PW

ALGEBRA

35

Jeżeli krzywa

L

leżąca w pewnej płaszczyźnie ma przedstawienie parametryczne

L

:

=

=

=

)

(

)

(

)

(

3

2

1

t

f

z

t

f

y

t

f

x

,

t

[

t

0

, t

1

]

zaś prosta

l jest równoległa do wektora

[

]

z

y

x

v

v

v

v

,

,

=

r

,

to równanie powierzchni walcowej ma postać

]

[

gdzie

)

(

)

(

)

(

1

0

3

2

1

t

,

t

t

v

t

f

z

v

t

f

y

v

t

f

x

z

y

x

=

=

Powierzchnie walcowe

Powierzchnie walcowe

MiNI PW

ALGEBRA

36

Równanie powierzchni walcowej w postaci parametrycznej

+

=

+

=

+

=

s

v

t

f

z

R

s

t

,

t

t

s

v

t

f

y

s

v

t

f

x

z

y

x

)

(

,

]

[

)

(

)

(

3

1

0

2

1

]

,

,

[

z

y

x

v

v

v

kierownica

K

tworz

ą

ca

Powierzchnie walcowe

Powierzchnie walcowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

19

MiNI PW

ALGEBRA

37

Jeżeli krzywa

L

ma przedstawienie parametryczne

L

:

=

=

=

)

(

)

(

)

(

3

2

1

t

f

z

t

f

y

t

f

x

,

t

[

t

0

, t

1

]

i

W(x

w

, y

w

, z

w

)

jest ustalonym punktem przestrzeni,

to równanie powierzchni stożkowej ma postać

]

[

gdzie

)

(

)

(

)

(

1

0

3

2

1

t

,

t

t

t

f

z

z

z

t

f

y

y

y

t

f

x

x

x

w

w

w

w

w

w

=

=

Powierzchnie sto

ż

kowe

Powierzchnie sto

ż

kowe

MiNI PW

ALGEBRA

38

Równanie powierzchni stożkowej w postaci parametrycznej

+

=

+

=

+

=

s

t

f

z

z

z

R

s

t

,

t

t

s

t

f

y

y

y

s

t

f

x

x

x

))

(

(

,

]

[

))

(

(

))

(

(

3

0

0

1

0

2

0

0

1

0

0

kierownica

K

tworz

ą

ca

)]

(

),

(

),

(

[

3

0

2

0

1

0

t

f

z

t

f

y

t

f

x

wierzchołek

W

Powierzchnie sto

ż

kowe

Powierzchnie sto

ż

kowe

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

20

Sto

ż

ek

Sto

ż

ek

Przekroje sto

ż

ka płaszczyznami prostopadłymi do osi Oz s

ą

elipsami

(z wyj

ą

tkiem płaszczyzny przechodz

ą

cej przez pocz

ą

tek układu

współrz

ę

dnych – wówczas cz

ęś

ci

ą

wspóln

ą

jest punkt).

Przekroje sto

ż

ka płaszczyznami prostopadłymi do osi Ox i Oy s

ą

hiperbolami, a gdy zawieraj

ą

o

ś

Oz par

ą

prostych, b

ę

d

ą

cych tworz

ą

cymi

sto

ż

ka.

Przekroje sto

ż

ka płaszczyznami równoległymi do tworz

ą

cej s

ą

parabolami.

Podane równanie (oraz rysunek) prezentuje powierzchni

ę

otwart

ą

wzdłu

ż

osi Oz.
Aby uzyska

ć

równanie sto

ż

ka otwartego wzdłu

ż

innej osi nale

ż

y

odpowiednio zmodyfikowa

ć

równanie. Zmienna przeniesiona na drug

ą

stron

ę

równania, dla zachowania tego samego znaku współczynników,

wskazuje o

ś

wzdłu

ż

której sto

ż

ek jest otwarty.

Przykładowo - sto

ż

ek otwarty wzdłu

ż

osi Ox ma równanie:

ALGEBRA

39

2

2

2

2

2

2

a

x

c

z

b

y

=

+

MiNI PW

MiNI PW

ALGEBRA

40

Definicja (bardzo ogólna)

Powierzchni

ą

stopnia drugiego (kwadryk

ą

) nazywamy zbiór punktów

przestrzeni trójwymiarowej, spełniaj

ą

cych równanie

0

2

2

2

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

K

Iz

Hy

Gx

Fyz

Exz

Dxy

Cz

By

Ax

gdzie

A, B, …, K

s

ą

stałymi i przynajmniej jedna ze stałych

A, B, C, D, E, F

jest ró

ż

na od zera.

Równanie to nazywamy

ogólnym równaniem powierzchni drugiego

stopnia

.

Mo

ż

na wykaza

ć

,

ż

e istnieje takie przekształcenie płaszczyzny (zło

ż

enie

obrotu i przesuni

ę

cia) w wyniku którego otrzymamy tzw. posta

ć

kanoniczn

ą

równania powierzchni:

0

~

~

~

~

2

2

2

=

+

+

+

K

z

C

y

B

x

A

lub

0

~

~

~

~

2

2

=

+

+

+

K

z

C

y

B

x

A

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

21

MiNI PW

ALGEBRA

41

Spo

ś

ród 17 ró

ż

nych powierzchni stopnia drugiego, 9 to kwadryki wła

ś

ciwe.

Pozostałe to kwadryki zdegenerowane (niewła

ś

ciwe).

Kwadryki wła

ś

ciwe to:

elipsoida (w tym sfera),

hiperboloida jednopowłokowa,

hiperboloida dwupowłokowa,

sto

ż

ek,

paraboloida eliptyczna,

paraboloida hiperboliczna,

walec eliptyczny,

walec hiperboliczny,

walec paraboliczny,

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

MiNI PW

ALGEBRA

42

Przykłady kwadryk niewła

ś

ciwych:

Równanie

x

2

+

y

2

+

z

2

= 0

przedstawia punkt

O

(0,0,0),

Równanie

x

2

+

y

2

+

z

2

= −1

przedstawia zbiór pusty,

Równanie

x

2

+

y

2

= 0

przedstawia prost

ą (

o

ś

Oz

),

Równanie

x

2

y

2

= 0

przedstawia sum

ę

dwóch płaszczyzn

o równaniach

:

x

y

= 0

i

x

+

y

=0.

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

22

MiNI PW

ALGEBRA

43

Zmienna przed którą stoi znak minus wskazuje oś wzdłuż której
hiperboloida jest „otwarta” (oś symetrii dla hiperboloidy obrotowej).

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

MiNI PW

ALGEBRA

44

Hiperboloida dwupowłokowa

2

2

2

2

2

2

1

z

x

y

c

a

b

=

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego

background image

Algebra z geometri

ą

2013-01-12

23

MiNI PW

ALGEBRA

45

Przekroje hiperboloidy płaszczyznami prostopadłymi do osi

Oz

elipsami.

Przekroje hiperboloidy płaszczyznami prostopadłymi do osi

Ox i

Oy

są hiperbolami.

Szczególnym przypadkiem hiperboloidy dwupowłokowej jest

hiperboloida obrotowa, powstała przez obrót hiperboli wokół osi
rzeczywistej.

Powierzchnie stopnia drugiego

Powierzchnie stopnia drugiego


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Powierzchnie cz 2 id 379259 Nieznany
Elementarz modelowania powierzchniowego (cz I)
Elementarz modelowania powierzchniowego cz II
Fundamenty - cz.1, Płyty fundamentowe na powierzchni gruntu, Płyty fundamentowe na powierzchni grunt
Biol kom cz 1
Systemy Baz Danych (cz 1 2)
cukry cz 2 st
wykłady NA TRD (7) 2013 F cz`
JĘCZMIEŃ ZWYCZAJNY cz 4
Sortowanie cz 2 ppt
CYWILNE I HAND CZ 2
W5 sII PCR i sekwencjonowanie cz 2
motywacja cz 1
02Kredyty cz 2

więcej podobnych podstron