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数学
题目

设柱面的准线为 ) x=(y)^2+(z)^2 x=2z .,母线垂直于准线所在的平面,求这柱面的方程。

设柱面的准线为,母线垂直于准线所在的平面,求这柱面的方程。

题目解答

答案

由于,柱面的准线为,
而为一平面.故它就是准线所在平面.即所求柱面的母线垂直于此平面.
此平面的法向量为n=(1,0 ,-2),此即为所求柱面的准线的方向向量.
设:为准线上的任意一点,则过该点的母线方程为:
其中P(X,Y,Z)为母线上点坐标.而系指
上式即:,
以下是要由上式和原准线方程,从中消去x,y,z 而得出关于(X,Y,Z)的方程,即所求柱面的方程.
,(1)
,(2)
,(3)
即
由(3),(1)变为:,(5)
由(3) ,(4)变为:
将:(2),(5)代入(6)得:
整理得:

解析

考查要点:本题主要考查柱面方程的求解方法,涉及空间几何中准线、母线方向向量的确定,以及参数方程消元的技巧。

解题核心思路:

  1. 确定准线所在的平面:题目中准线由两个平面方程联立给出,需明确准线所在的平面。
  2. 求母线方向向量:母线垂直于准线所在平面,因此母线方向向量即为该平面的法向量。
  3. 建立母线方程:以准线上任意一点为起点,沿母线方向向量延伸,写出参数方程。
  4. 消去参数:通过准线的参数方程和母线方程,消去中间变量,得到柱面的方程。

破题关键点:

  • 准线所在平面的法向量:通过平面方程直接确定。
  • 参数方程的联立与消元:需灵活处理参数关系,建立关于空间坐标变量的方程。

步骤1:确定准线所在平面

准线由方程组 $\begin{cases} x = y^2 \\ x = 2z \end{cases}$ 给出。联立两式得 $2z = y^2$,即准线是空间曲线,但题目中母线垂直于准线所在平面,需明确该平面。
关键结论:准线所在平面为 $x = 2z$,其法向量为 $\mathbf{n} = (1, 0, -2)$。

步骤2:确定母线方向向量

母线垂直于准线所在平面,因此母线方向向量为平面法向量 $\mathbf{n} = (1, 0, -2)$。

步骤3:建立母线方程

准线上任意一点 $M(x, y, z)$ 满足 $x = 2z$ 和 $x = y^2$,参数化为 $y = t$,则 $x = t^2$,$z = \frac{t^2}{2}$。
母线方程为:
$\frac{X - t^2}{1} = \frac{Y - t}{0} = \frac{Z - \frac{t^2}{2}}{-2}$
因分母为0,得 $Y = t$,母线参数方程为:
$\begin{cases}X = t^2 + \lambda \\Y = t \\Z = \frac{t^2}{2} - 2\lambda\end{cases}$

步骤4:消去参数 $t$ 和 $\lambda$

由 $Y = t$ 得 $t = Y$,代入 $X$ 和 $Z$:
$\begin{cases}X = Y^2 + \lambda \\Z = \frac{Y^2}{2} - 2\lambda\end{cases}$
解得 $\lambda = X - Y^2$,代入 $Z$ 的表达式:
$Z = \frac{Y^2}{2} - 2(X - Y^2) = \frac{5Y^2}{2} - 2X$
整理得柱面方程:
$5Y^2 - 2Z - 4X = 0$

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