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旋转曲面


旋转曲面是通过将二维曲线绕轴旋转而生成的曲面。因此,所得曲面始终具有轴对称性。旋转曲面的例子包括苹果曲面圆锥(不包括底面)、圆锥台(不包括端面)、圆柱体(不包括端面)、达尔文-德西特椭球体加百利号角双曲面柠檬曲面扁球面抛物面长球面伪球面球面椭球体环面(及其推广,环体)。

通过将曲线 y=f(x)>0x=ax=bx 旋转获得的旋转曲面的面积元素是

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

因此,表面积是

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)。如果曲线改为由 (x(t),y(t)) 参数化指定,则当 t in [a,b]x(t)>0 在此区间内时,通过将曲线绕 x 旋转获得的表面积由下式给出

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

类似地,通过将曲线 x=g(y)>0y=cy=dy 旋转获得的旋转曲面的面积由下式给出

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)。如果曲线改为由 (x(t),y(t)) 参数化指定,则当 t in [c,d]y(t)>0 在此区间内时,通过将曲线绕 y 旋转获得的表面积由下式给出

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

下表给出了一些常见旋转曲面的侧面表面积 S ,其中 r 表示半径(圆锥、圆柱、球体或球带的半径),R_1R_2 分别表示圆台的内半径和外半径,h 表示高度,e 表示椭球体扁率,以及 ac 分别表示赤道半径和极半径(对于椭球体)或圆形横截面的半径和旋转半径(对于环面)。

旋转曲面的标准参数化由下式给出

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

对于如此参数化的曲线,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,则曲面是正则的,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,单位法向量

 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为

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)。

帕普斯重心定理给出旋转体的体积,即横截面积乘以重心旋转时所经过的距离。


另请参阅

苹果曲面, 悬链面, 圆锥, 圆锥台, 圆柱体, 达尔文-德西特椭球体, 八字面, 加百利号角, 双曲面, 柠檬曲面, 子午线, 最小旋转曲面, 扁球面, 帕普斯重心定理, 抛物面, 半岛曲面, 长球面, 伪球面, 辛克莱肥皂膜问题, 旋转体, 球面, 椭球体, 旋转曲面平行面, 环体, 环面, 波纹面 在 MathWorld 课堂中探索此主题

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参考文献

Anton, H. 微积分:新的视野,第 6 版 New York: Wiley, 1999.Apostol, T. M. 微积分,第 2 版,第 2 卷:多元微积分和线性代数,以及在微分方程和概率中的应用。 Waltham, MA: Blaisdell, 1969.Gray, A. "旋转曲面." Ch. 20 in 曲线和曲面的现代微分几何与 Mathematica,第 2 版 Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 457-480, 1997.Hilbert, D. and Cohn-Vossen, S. "圆柱、圆锥、圆锥截面及其旋转曲面." §2 in 几何与想象。 New York: Chelsea, pp. 7-11, 1999.Kaplan, W. 高等微积分,第 3 版 Reading, MA: Addison-Wesley, 1992.Kreyszig, E. 微分几何 New York: Dover, p. 131, 1991.

在 Wolfram|Alpha 中引用

旋转曲面

引用为

Weisstein, Eric W. "旋转曲面." 来自 MathWorld——Wolfram 网络资源。 https://mathworld.net.cn/SurfaceofRevolution.html

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