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1、实验四 空间几何图形的描绘,一、实验目的 掌握用mathematica软件包描绘空间几何图形(空间曲面和曲线)的方法.通过作图和观察,深入理解多元函数的概念,提高空间想象力.深入理解二次曲面的图形和方程.,二、学习mathematica命令 1.空间直角坐标系中作二元显函数z=f(x,y)三维图形命令Plot3D:Plot3Dfx,y,x,x1,x2,y,y1,y2,选项其中fx,y是x,y的二元函数,x1,x2表示x的作图范围,y1,y2表示y的作图范围.,例如输入 Plot3Dx2+y2,x,-2,2,y,-2,2作函数z=x2+y2在区域2 x 2,2 y 2上的图形.,与二维平面作图命
2、令Plot相似,Plot3D也有许多选项.输入?Plot3D,Plot3Df,x,xmin,xmax,y,ymin,ymax generates a three-dimensional plot of f as a function of x and y.,Plot3Df,s,x,xmin,xmax,y,ymin,ymax generates a three-dimensional plot in which the height of the surface is specified by f,and the shading is specified by s.,及一系列的选项.,2.利用参
3、数方程作空间曲面图形的命令ParametricPlot3D,作曲面时的基本形式为:ParametricPlot3Dxu,v,yu,v,zu,v,u,u1,u2,v,v1,v2,选项,其中xu,v,yu,v,zu,v为参数方程的三个表示式,u1,u2和v1,v2分别为两个参变量u和v的作图范围.,输入ParametricPlot3Du*Cosv,u*Sinv,u2,u,0,3,v,0,2Pi;可以作出旋转抛物面z=x2+y2的图形,这个图形比Plot3D命令作出的图形要好得多.,3.常见曲面的常用(标准方程的)参数方程:,当a=b=c时为球面.,椭球面:,椭圆抛物面:,当a=b时为旋转抛物面.,
4、椭圆锥面:,当a=b时为圆锥面.,椭圆柱面:,当a=b时为圆柱面.,正螺面:,单叶双曲面:,圆环面:,空间曲线,绕 z 轴旋转所得曲面的参数方程为:,实际上,对给定的t,得曲线上一点M1(t),(t),(t),其绕 z 轴旋转得到一个圆,该圆在平面z=(t)上.其半径为点M1到z轴的距离:,因此,在平面 z=(t)上的圆的方程为:,再令 t 在,内变化,即为所求旋转曲面的参数方程.,例如,与 z 轴异面直线的参数为:,令其绕 z 轴旋转所得的旋转曲面的参数方程为:,t,消去参量 t 和,得曲面的直角坐标系下的方程:,此曲面为单叶双曲面.,这也是的直纹面性质.如图:,4.利用参数方程作空间曲线图
5、形的命令ParametricPlot3D,作曲线时的基本形式为:ParametricPlot3Dxt,yt,zt,t,t1,t2,选项其中xt,yt,zt为参数方程的三个表示式,t1,t2为参变量 t 的作图范围.空间螺旋线的参数方程为:x=cost,y=sint,z=t/10,0 t 8,输入ParametricPlot3DCost,Sint,t/10,RGBColor1,0,0,t,0,8Pi,将多个图形绘于一起仍用Show命令.例如,将一个球面x2+y2+z2=4与一个拄面(x1)2+y2=1绘与一起.输入(见程序).,作单侧曲面(默比乌斯带):输入:rt_,s_:=2+0.5*s*Co
6、st/2;xt_,s_:=rt,sCost;yt_,s_:=rt,sSint;zt_,s_:=0.5*s*Sint/2;,ParametricPlot3Dxt,s,yt,s,zt,s,t,0,2Pi,s,-1,1,PlotPoints-50,8,BoxRatios-5,5,1,Ticks-False;,程序,练习:,1.用Plot3D命令画出函数,在-x,-y上的图形,采用选项PlotPoints-50.,2.函数,在(0,0)处不连续,用Plot3D命,令画出函数在-2x2,-2y2上的图形,采用选项PlotPoints-50或更大,观察曲面在(0,0)处的变化.,3.一个圆环面的参数方程为
7、:x=(3+cosu)cosv,y=(3+cosu)sinv,z=sinu(0u2,0v2),用ParametricPlot3D命令画出它的图形.,4.一个正螺面的参数方程为:x=ucosv,y=usinv,z=v/3(-1u1,0v4),用ParametricPlot3D命令画出它的图形.,5.用Plot3D命令画出双曲抛物面,在-6x6,-14y14上的图形,采用选项PlotPoints-30和BoxRatios-1,1,1,改变BoxRatios中的参数再观察.,6.做两个半径相同的圆柱面垂直相交的图形.,7*.做两个半径相同的圆柱面垂直相交的交线.将此图形与6题的图形放在一起观察.输入以下命令:ParametricPlot3DCost,Sint,Sint,RGBColor1,0,0,Cost,Sint,-Sint,RGBColor0,0,1,t,0,2Pi;,8*.作出球面x2+y2+z2=22与圆柱面(x-1)2+y2=1相交所成的空间曲线的图形.输入以下命令:ParametricPlot3D1+Cost,Sint,2Sint/2,RGBColor1,0,0,t,0,2Pi;此曲线称为维维安妮曲线.,
