求解平面和椭圆抛物面的交线的参数方程并判断交线形状,用matlab在空间中画出该平面与椭圆抛物面的交线

时间: 2024-02-06 16:12:50 浏览: 279
平面和椭圆抛物面的交线的参数方程可表示为: $$ \begin{cases} x=a+su+tv \\ y=b+ru \\ z=cu^2+dv^2 \end{cases} $$ 其中,$(u,v)$ 是椭圆抛物面上的参数,$(s,t)$ 是平面上的参数,$(a,b,c,d)$ 是椭圆抛物面的顶点坐标,$r$ 是椭圆抛物面的旋转角度。 为了求解该交线的参数方程,需要首先求出椭圆抛物面的参数方程。设椭圆抛物面的标准方程为: $$ \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=\frac{z}{c} $$ 其中,$a$ 和 $b$ 是椭圆的长短轴,$c$ 是抛物线的焦距。对该方程进行旋转变换得到: $$ \begin{cases} x'=x\cos r-y\sin r \\ y'=x\sin r+y\cos r \\ z'=z \end{cases} $$ 将 $x'$ 和 $y'$ 代入标准方程,得到椭圆抛物面的参数方程: $$ \begin{cases} x=a\cos r\cos u-b\sin r\sin u \\ y=a\sin r\cos u+b\cos r\sin u \\ z=cu^2+dv^2 \end{cases} $$ 将参数方程代入平面方程,可得到交线的参数方程: $$ \begin{cases} x=a+su+tv \\ y=b+ru \\ z=cu^2+dv^2 \end{cases} $$ 交线的形状可以通过椭圆抛物面和平面的相对位置来确定。如果平面与椭圆抛物面相切,则交线为点;如果平面与椭圆抛物面相交但不相切,则交线为椭圆;如果平面与椭圆抛物面不相交,则交线为空。 以下是用 MATLAB 绘制平面与椭圆抛物面的交线的代码示例: ```matlab % 定义平面和椭圆抛物面的参数 a = 1; b = 2; c = 3; d = 4; % 椭圆抛物面参数 x0 = 0; y0 = 0; z0 = 0; % 平面上一点坐标 n = [1 1 1]; % 平面法向量 d1 = -1; % 平面到原点的距离 % 定义椭圆抛物面的参数方程 r = pi/4; % 旋转角度 u = linspace(0, 2*pi, 100); % 参数范围 v = linspace(-1, 1, 100); [u, v] = meshgrid(u, v); x = a*cos(r)*cos(u) - b*sin(r)*sin(u); y = a*sin(r)*cos(u) + b*cos(r)*sin(u); z = c*u.^2 + d*v.^2; % 计算交线的参数方程 syms s t u v eq1 = x0 + s*u + t*v == a*cos(r)*cos(u) - b*sin(r)*sin(u) + 1; eq2 = y0 + r*u == a*sin(r)*cos(u) + b*cos(r)*sin(u) + 0; eq3 = z0 == c*u.^2 + d*v.^2 - 1; sol = solve([eq1, eq2, eq3], [s, t, u, v]); % 计算交线的坐标 s = double(sol.s); t = double(sol.t); u = double(sol.u); v = double(sol.v); x = a*cos(r)*cos(u) - b*sin(r)*sin(u) + s*u + t*v; y = a*sin(r)*cos(u) + b*cos(r)*sin(u) + r*u; z = c*u.^2 + d*v.^2; % 绘制图形 figure; hold on; surf(x, y, z, 'FaceColor', 'blue', 'EdgeColor', 'none', 'FaceAlpha', 0.5); [X,Y,Z] = meshgrid(-5:0.1:5); V = n(1)*X + n(2)*Y + n(3)*Z - d1; % 平面方程 isosurface(X, Y, Z, V, 0, 'FaceColor', 'yellow', 'EdgeColor', 'none', 'FaceAlpha', 0.5); axis equal; view(3); ``` 运行上述代码,可以得到平面和椭圆抛物面的交线的图形。
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详细解释以下这一大段代码: % 构建圆锥面方程 [x,y,z]=cylinder(-5:0.2:0,30); surf(x,y,z); % 构建可以根据输入参数改变位置和角度的平面方程 a = input('请输入平面的x系数:'); b = input('请输入平面的y系数:'); c = input('请输入平面的z系数:'); k = input('请输入平面的截距:'); f = @(x,y,z) a*x + b*y + c*z - k; [Xp,Yp] = meshgrid(-8:0.1:8,-8:0.1:8); Zp = (k-a*Xp-b*Yp)/c; % 求解圆锥面与平面相交曲线的函数 x_func = @(t) Xp(1,:)+t*(Xp(2,:)-Xp(1,:)); y_func = @(t) Yp(1,:)+t*(Yp(2,:)-Yp(1,:)); z_func = @(t) (k-a*x_func(t)-b*y_func(t))/c; f_func = @(t) eval(vectorize(subs(f, {'x','y','z'}, {x_func(t), y_func(t), z_func(t)}))); t_value = fzero(f_func, [0 1]); x_value = x_func(t_value); y_value = y_func(t_value); z_value = z_func(t_value); % 绘制五种平面与圆锥面相交的曲线并添加注释和图例等信息 figure subplot(2,3,1) plot3(x_value,y_value,z_value) title('交线为三角形') xlabel('x轴') ylabel('y轴') zlabel('z轴') grid on subplot(2,3,2) hold on plot3(x_value(1,:),y_value(1,:),z_value(1,:)) plot3(x_value(2,:),y_value(2,:),z_value(2,:)) title('交线为一个圆') xlabel('x轴') ylabel('y轴') zlabel('z轴') grid on subplot(2,3,3) hold on plot3(x_value(1,:),y_value(1,:),z_value(1,:)) plot3(x_value(2,:),y_value(2,:),z_value(2,:)) title('交线为一个椭圆') xlabel('x轴') ylabel('y轴') zlabel('z轴') grid on subplot(2,3,4) plot3(x_value(1,:),y_value(1,:),z_value(1,:)) title('交线为一条垂直水平面的抛物线') xlabel('x轴') ylabel('y轴') zlabel('z轴') grid on subplot(2,3,5) plot3(x_value(1,:),y_value(1,:),z_value(1,:)) title('交线为一条倾斜的抛物线') xlabel('x轴') ylabel('y轴') zlabel('z轴') grid on

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