问题

如何将x+y+z=0,x^2+y^2+z^2=1化为参数方程?

回答
朋友你好!这道题很有意思,是在研究三维空间中的一个特殊几何形状。我们来一步步拆解,看看如何把这两个方程变成参数方程,让它更容易被描述和理解。

首先,咱们得明白这两个方程代表什么。

x + y + z = 0:这是一个平面方程。想象一下,如果把x、y、z看作三个坐标轴上的点,那么所有满足这个方程的点就构成了一个通过原点(0,0,0)的平面。这个平面跟我们熟悉的xy平面、yz平面、xz平面都不太一样,它有一个倾斜的角度。
x² + y² + z² = 1:这是一个球面方程。以原点(0,0,0)为圆心,半径为1的球体。所有满足这个方程的点,都在这个单位球的表面上。

那么,我们现在要求的是同时满足这两个方程的点。一个平面和一个球体相交,会是什么形状呢?我们知道,一个平面和一个球体相交的结果,要么是相切(一个点),要么是相交(一个圆),要么就不相交。因为这里的平面x+y+z=0通过了球心(0,0,0),所以它们相交的结果一定是一个圆。

我们的目标就是找到描述这个圆的一组参数方程。参数方程可以看作是用一个或两个额外的变量(参数)来表示x, y, z的值。对于一个圆来说,我们通常需要一个参数来描述它在平面上的位置。

思路一:几何直观法

既然我们知道相交的形状是一个圆,那么我们可以尝试把这个圆“搬到”一个更容易描述的参数方程形式上。

1. 找到圆心和半径: 这个圆是球体x² + y² + z² = 1和平面x + y + z = 0的交线。由于平面过球心,所以这个圆的圆心就是球心,也就是原点(0,0,0)。圆的半径呢?如果平面不过球心,我们需要一些向量计算来求交圆的半径。但在这里,因为平面过球心,所以交圆的半径就是球体的半径,即1。

2. 确定圆所在的平面: 圆在平面 x + y + z = 0 上。这个平面的法向量是 n = (1, 1, 1)。

3. 找到平面上两个相互垂直的向量: 为了用参数方程描述这个圆,我们需要在这个平面上找到两个相互垂直的单位向量,它们就像是圆所在平面的“基底”一样。我们可以从平面的法向量 n = (1, 1, 1) 入手,找与它垂直的向量。

找一个与 n 垂直的向量 u:一个简单的方法是,让其中两个分量相等,另一个分量相反。例如,我们可以尝试 u = (1, 1, 0)。我们来验证一下:n · u = (1)(1) + (1)(1) + (1)(0) = 1 1 + 0 = 0。所以 u 确实与 n 垂直。
标准化 u:为了得到单位向量,我们需要除以它的模长。|u| = √(1² + (1)² + 0²) = √2。所以单位向量 û = (1/√2, 1/√2, 0)。

找一个与 n 和 u 都垂直的向量 v:我们可以用向量叉乘 (n x u) 来找到这样一个向量。
n x u = | i j k |
| 1 1 1 |
| 1 1 0 |
= i(10 1(1)) j(10 11) + k(1(1) 11)
= i(1) j(1) + k(2)
= (1, 1, 2)
标准化 v:我们得到向量 (1, 1, 2)。它的模长是 |(1, 1, 2)| = √(1² + 1² + (2)²) = √6。所以单位向量 v̂ = (1/√6, 1/√6, 2/√6)。

4. 构建参数方程: 现在我们有了圆心(原点),半径为1,以及在这个平面上的两个相互垂直的单位向量 û 和 v̂。我们就可以用熟悉的圆的参数方程来描述它了:

一个圆的参数方程通常是: P = Center + r cos(t) û + r sin(t) v̂

在这里,Center = (0, 0, 0),r = 1。所以我们的参数方程是:

x(t) = 0 + 1 cos(t) (1/√2) + 1 sin(t) (1/√6) = cos(t)/√2 + sin(t)/√6
y(t) = 0 + 1 cos(t) (1/√2) + 1 sin(t) (1/√6) = cos(t)/√2 + sin(t)/√6
z(t) = 0 + 1 cos(t) (0) + 1 sin(t) (2/√6) = 2sin(t)/√6

其中参数 t 的取值范围是 [0, 2π),代表圆的周长。

验证一下:

x + y + z = 0?
cos(t)/√2 + sin(t)/√6 + (cos(t)/√2 + sin(t)/√6) + (2sin(t)/√6)
= (cos(t)/√2 cos(t)/√2) + (sin(t)/√6 + sin(t)/√6 2sin(t)/√6)
= 0 + 0 = 0. 成立!

x² + y² + z² = 1?
x² = (cos(t)/√2 + sin(t)/√6)² = cos²(t)/2 + 2cos(t)sin(t)/(√2√6) + sin²(t)/6
= cos²(t)/2 + 2cos(t)sin(t)/√12 + sin²(t)/6
= cos²(t)/2 + cos(t)sin(t)/√3 + sin²(t)/6

y² = (cos(t)/√2 + sin(t)/√6)² = cos²(t)/2 2cos(t)sin(t)/(√2√6) + sin²(t)/6
= cos²(t)/2 2cos(t)sin(t)/√12 + sin²(t)/6
= cos²(t)/2 cos(t)sin(t)/√3 + sin²(t)/6

z² = (2sin(t)/√6)² = 4sin²(t)/6 = 2sin²(t)/3

x² + y² + z² = (cos²(t)/2 + cos(t)sin(t)/√3 + sin²(t)/6) + (cos²(t)/2 cos(t)sin(t)/√3 + sin²(t)/6) + (2sin²(t)/3)
= cos²(t)/2 + cos²(t)/2 + sin²(t)/6 + sin²(t)/6 + 2sin²(t)/3
= cos²(t) + 2sin²(t)/6 + 2sin²(t)/3
= cos²(t) + sin²(t)/3 + 2sin²(t)/3
= cos²(t) + 3sin²(t)/3
= cos²(t) + sin²(t)
= 1. 成立!

所以,这组参数方程是正确的。

思路二:代数消元法(尝试不同角度思考)

有时候,我们也可以尝试通过代数上的消元来找到参数方程,虽然这种方法在处理这类三维几何问题时,不一定像几何法那样直观和容易推导。

1. 利用第一个方程表示一个变量:
从 x + y + z = 0,我们可以得到 z = x y。

2. 代入第二个方程:
将 z = x y 代入 x² + y² + z² = 1:
x² + y² + (x y)² = 1
x² + y² + (x² + 2xy + y²) = 1
2x² + 2y² + 2xy = 1

我们得到了一个关于 x 和 y 的二次方程。这个方程描述了所有满足条件的点在 xy 平面上的投影。这个投影形状是一个椭圆(因为有 xy 项)。

3. 对这个椭圆方程进行参数化:
方程 2x² + 2y² + 2xy = 1 是一个表示旋转椭圆的方程。我们需要找到它的参数形式。这种形式的方程通常可以通过旋转坐标系来简化。

这是代数法的难点所在: 将一个一般的二次曲线(比如 2x² + 2y² + 2xy = 1)写成参数方程,通常需要涉及到特征值和特征向量等更深入的线性代数知识,来找到旋转角度,使得方程变为标准形式(如 Ax'² + By'² = 1)。

如果我们直接去尝试参数化 2x² + 2y² + 2xy = 1,可能会比较复杂。我们知道它是一个椭圆,其上的点可以通过某个参数 t 来表示。

试着寻找一个满足条件的参数化:例如,我们可以尝试找到一些特殊的点。当x=0时,2y²=1,y = ±1/√2。这时候z = x y = y = ∓1/√2。所以 (0, 1/√2, 1/√2) 和 (0, 1/√2, 1/√2) 是圆上的点。
我们也可以尝试将方程写成矩阵形式:
[ x y ] [ 2 1 ] [ x ] = 1
[ 1 2 ] [ y ]

通过特征值分解,我们可以将坐标系旋转,得到标准形式的椭圆方程,然后再进行参数化。但这个过程相对繁琐。

为什么几何法更常用也更直观?

对于平面与球体的交线(一个圆),几何法直接利用了圆的几何性质:圆心、半径和所在的平面。一旦确定了平面上的两个正交基向量,参数方程的形式就非常标准和容易书写。它也直接揭示了最终结果是一个圆,以及圆的这些关键几何信息。

代数消元法虽然也能得到结果,但过程可能需要更复杂的代数技巧来处理旋转椭圆的参数化,而且直接看到的方程形式(2x² + 2y² + 2xy = 1)不容易直接联想到一个圆。

总结一下,对于这道题,几何直观法是更推荐和清晰的路径:

1. 识别交线形状: 平面过球心,交线是圆。
2. 确定圆的基本属性: 圆心在原点,半径为1。
3. 找到圆所在平面的正交基: 利用平面的法向量,找到平面上的两个单位正交向量。
4. 套用圆的参数方程公式: 使用圆心、半径和这两个基向量来写出参数方程。

希望这样详细的解释,能帮助你理解如何将这两个方程转化为参数方程!如果你在推导过程中遇到具体计算上的问题,随时可以再问我。

网友意见

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看到别的回答已经写出结果了,在这里提一种不一样的想法。


在平面 上,取一组正交的基底 , ,再将其单位化得 , 。

此时,半径为 的圆上的任一点都可以用 表示,其中 为参数。

对比每一个分量得 ,其中 为参数。


其实如果学过线代的话,也可以先找到一个正交变换,将平面 变为 ,此时球面的方程仍为 ,这样就容易写出变换后的参数方程。再将结果逆回去,就可以找到原来的坐标系中的参数方程。

当然,这种做法没有上面那么好操作(我也懒得写了)。

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