主題
Search

旋轉曲面


旋轉曲面是透過將二維曲線繞軸旋轉而生成的曲面。因此,所得曲面始終具有軸對稱性。旋轉曲面的例子包括蘋果曲面圓錐(不包括底面)、圓錐臺(不包括端面)、圓柱體(不包括端面)、達爾文-德西特橢球體加百利號角雙曲面檸檬曲面扁球面拋物面長球面偽球面球面橢球體環面(及其推廣,環體)。

透過將曲線 y=f(x)>0x=ax=bx 旋轉獲得的旋轉曲面的面積元素是

dS_x=2piyds
(1)
=2piysqrt(1+y^('2))dx,
(2)

因此,表面積是

S_x=2piint_a^bf(x)sqrt(1+[f^'(x)]^2)dx
(3)
=2piint_a^bysqrt(1+((dy)/(dx))^2)dx
(4)

(Apostol 1969, p. 286; Kaplan 1992, p. 251; Anton 1999, p. 380)。如果曲線改為由 (x(t),y(t)) 引數化指定,則當 t in [a,b]x(t)>0 在此區間內時,透過將曲線繞 x 旋轉獲得的表面積由下式給出

 S_x=2piint_a^by(t)sqrt(((dx)/(dt))^2+((dy)/(dt))^2)dt.
(5)

類似地,透過將曲線 x=g(y)>0y=cy=dy 旋轉獲得的旋轉曲面的面積由下式給出

S_y=2piint_c^dg(y)sqrt(1+[g^'(y)]^2)dy
(6)
=2piint_c^dxsqrt(1+((dx)/(dy))^2)dy
(7)

(Anton 1999, p. 380)。如果曲線改為由 (x(t),y(t)) 引數化指定,則當 t in [c,d]y(t)>0 在此區間內時,透過將曲線繞 y 旋轉獲得的表面積由下式給出

 S_y=2piint_c^dy(t)sqrt(((dx)/(dt))^2+((dy)/(dt))^2)dt.
(8)
SurfaceOfRevolution

下表給出了一些常見旋轉曲面的側面表面積 S ,其中 r 表示半徑(圓錐、圓柱、球體或球帶的半徑),R_1R_2 分別表示圓臺的內半徑和外半徑,h 表示高度,e 表示橢球體扁率,以及 ac 分別表示赤道半徑和極半徑(對於橢球體)或圓形橫截面的半徑和旋轉半徑(對於環面)。

旋轉曲面的標準引數化由下式給出

x(u,v)=phi(v)cosu
(9)
y(u,v)=phi(v)sinu
(10)
z(u,v)=psi(v).
(11)

對於如此引數化的曲線,第一基本形式

E=phi^2
(12)
F=0
(13)
G=phi^('2)+psi^('2).
(14)

只要 phiphi^('2)+psi^('2) 非零,則曲面是正則的,第二基本形式

e=-(|phi|psi^')/(sqrt(phi^('2)+psi^('2)))
(15)
f=0
(16)
g=(sgn(phi)(phi^('')psi^'-phi^'psi^('')))/(sqrt(phi^('2)+psi^('2))).
(17)

此外,單位法向量

 N^^(u,v)=(sgn(phi))/(sqrt(phi^('2)+psi^('2)))[psi^'cosu; psi^'sinu; phi^'],
(18)

曲率

kappa_1=g/G=(sgn(phi)(phi^('')psi^'-phi^'psi^('')))/((phi^('2)+psi^('2))^(3/2))
(19)
kappa_2=e/E=-(psi^')/(|phi|sqrt(phi^('2)+psi^('2))).
(20)

高斯曲率和平均曲率為

K=(-psi^('2)phi^('')+phi^'psi^'psi^(''))/(phi(phi^('2)+psi^('2))^2)
(21)
H=(phi(phi^('')psi^'-phi^'psi^(''))-psi^'(phi^('2)+psi^('2)))/(2|phi|(phi^('2)+psi^('2))^(3/2))
(22)

(Gray 1997)。

帕普斯重心定理給出旋轉體的體積,即橫截面積乘以重心旋轉時所經過的距離。


另請參閱

蘋果曲面, 懸鏈面, 圓錐, 圓錐臺, 圓柱體, 達爾文-德西特橢球體, 八字面, 加百利號角, 雙曲面, 檸檬曲面, 子午線, 最小旋轉曲面, 扁球面, 帕普斯重心定理, 拋物面, 半島曲面, 長球面, 偽球面, 辛克萊肥皂膜問題, 旋轉體, 球面, 橢球體, 旋轉曲面平行面, 環體, 環面, 波紋面 在 課堂中探索此主題

使用 探索

參考文獻

Anton, H. 微積分:新的視野,第 6 版 New York: Wiley, 1999.Apostol, T. M. 微積分,第 2 版,第 2 卷:多元微積分和線性代數,以及在微分方程和機率中的應用。 Waltham, MA: Blaisdell, 1969.Gray, A. "旋轉曲面." Ch. 20 in 曲線和曲面的現代微分幾何與 Mathematica,第 2 版 Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 457-480, 1997.Hilbert, D. and Cohn-Vossen, S. "圓柱、圓錐、圓錐截面及其旋轉曲面." §2 in 幾何與想象。 New York: Chelsea, pp. 7-11, 1999.Kaplan, W. 高等微積分,第 3 版 Reading, MA: Addison-Wesley, 1992.Kreyszig, E. 微分幾何 New York: Dover, p. 131, 1991.

在 中引用

旋轉曲面

引用為

Weisstein, Eric W. "旋轉曲面." 來自 ——Wolfram 網路資源。 https://mathworld.tw/SurfaceofRevolution.html

主題分類