Рассмотрите семейство плоскостей, пересекающих цилиндр по эллипсам; для винтовой оси цилиндра найдите зависимость параметров получающихся сечений от угла наклона плоскости и выведите уравнения этих эллипсов в подходящей системе координат
Возьмём правый круговой цилиндр радиуса R с осью вдоль оси z: x^2 + y^2 = R^2.
Плоскость пусть наклонена относительно горизонтальной плоскости на угол θ и имеет уравнение z = x tan θ + h, 111этоплоскость,проходящаяподугломθвнаправленииосиx;приh=0проходитчерезначалокоординатэто плоскость, проходящая под углом θ в направлении оси x; при h = 0 проходит через начало координатэтоплоскость,проходящаяподугломθвнаправленииосиx;приh=0проходитчерезначалокоординат. Угол θ = 0 → горизонтальная плоскость сечение—кругсечение — кругсечение—круг, θ → π/2 → плоскость → вертикальная сечениевырождаетсясечение вырождаетсясечениевырождается.
Пересечение цилиндра и плоскости задаётся системой x^2 + y^2 = R^2,
z = x tan θ + h.
Построим удобную координатную систему в самой плоскости. Векторы u = cosθ,0,sinθcos θ, 0, sin θcosθ,0,sinθ и v = 0,1,00,1,00,1,0
образуют ортонормированный базис плоскости z = x tan θ проверка:u⋅u=v⋅v=1,u⋅v=0проверка: u·u = v·v = 1, u·v = 0проверка:u⋅u=v⋅v=1,u⋅v=0. Любую точку плоскости можно записать как X u + Y v плюс сдвиг центра 0,0,h0,0,h0,0,h. Из равенств компонент получаем x = X cos θ, y = Y, z = X sin θ + h.
Подставим это в уравнение цилиндра: xxx^2 + yyy^2 = XcosθX cos θXcosθ^2 + Y^2 = R^2.
полуоси эллипса: a = R / cos θ вдольнаправленияu,тоестьвдольпересеченияплоскостисxz−плоскостьювдоль направления u, то есть вдоль пересечения плоскости с xz-плоскостьювдольнаправленияu,тоестьвдольпересеченияплоскостисxz−плоскостью, b = R вдольнаправленияv,т.е.вдольосиyвдоль направления v, т.е. вдоль оси yвдольнаправленияv,т.е.вдольосиy;центр эллипса — проекция оси цилиндра на плоскость, точка x,y,zx,y,zx,y,z = 0,0,h0,0,h0,0,hвкоординатахплоскостицентр=(X,Y)=(0,0)в координатах плоскости центр = (X,Y) = (0,0)вкоординатахплоскостицентр=(X,Y)=(0,0);параметризация в пространстве: xttt = R cos t, yttt = R sin t, zttt = R cos t · tan θ + h, или в координатах плоскости: Xttt = R/cosθR / cos θR/cosθ cos t, Yttt = R sin t.
Если удобнее описать наклон плоскости через угол φ между плоскостью и осью цилиндра осьzось zосьz: тогда φ = π/2 − θ и cos θ = sin φ, и a = R / cos θ = R / sin φ, b = R.
Общий случай наклонвпроизвольномазимутеψнаклон в произвольном азимуте ψнаклонвпроизвольномазимутеψ: плоскость, наклонённая в направлении, образующем угол ψ с осью x в плоскости xy, можно взять в виде z = tan θ xcosψ+ysinψx cos ψ + y sin ψxcosψ+ysinψ + h. В этом случае один из направляющих векторов плоскости равен u = cosψcosθ,sinψcosθ,sinθcos ψ cos θ, sin ψ cos θ, sin θcosψcosθ,sinψcosθ,sinθ, второй — v = −sinψ,cosψ,0−sin ψ, cos ψ, 0−sinψ,cosψ,0, и в координатах X,YX,YX,Y вдоль этих векторов уравнение сечения снова примет вид cos^2 θ · X^2 + Y^2 = R^2, то есть полуоси те же: a = R / cos θ вдоль направления проекции наклона, b = R перпендикулярно ей.
Итого: при наклоне плоскости на угол θ отгоризонталиот горизонталиотгоризонтали сечение цилиндра — эллипс с полуосями a = R / cos θ и b = R, ориентированный так, что большая полуось направлена вдоль проекции направления наклона плоскости на поверхность цилиндра.
Возьмём правый круговой цилиндр радиуса R с осью вдоль оси z:
x^2 + y^2 = R^2.
Плоскость пусть наклонена относительно горизонтальной плоскости на угол θ и имеет уравнение
z = x tan θ + h, 111 этоплоскость,проходящаяподугломθвнаправленииосиx;приh=0проходитчерезначалокоординатэто плоскость, проходящая под углом θ в направлении оси x; при h = 0 проходит через начало координатэтоплоскость,проходящаяподугломθвнаправленииосиx;приh=0проходитчерезначалокоординат. Угол θ = 0 → горизонтальная плоскость сечение—кругсечение — кругсечение—круг, θ → π/2 → плоскость → вертикальная сечениевырождаетсясечение вырождаетсясечениевырождается.
Пересечение цилиндра и плоскости задаётся системой
x^2 + y^2 = R^2,
z = x tan θ + h.
Построим удобную координатную систему в самой плоскости. Векторы
u = cosθ,0,sinθcos θ, 0, sin θcosθ,0,sinθ и v = 0,1,00,1,00,1,0 образуют ортонормированный базис плоскости z = x tan θ проверка:u⋅u=v⋅v=1,u⋅v=0проверка: u·u = v·v = 1, u·v = 0проверка:u⋅u=v⋅v=1,u⋅v=0. Любую точку плоскости можно записать как X u + Y v плюс сдвиг центра 0,0,h0,0,h0,0,h. Из равенств компонент получаем
x = X cos θ, y = Y, z = X sin θ + h.
Подставим это в уравнение цилиндра:
xxx^2 + yyy^2 = XcosθX cos θXcosθ^2 + Y^2 = R^2.
Отсюда уравнение сечения в координатах X,YX,YX,Y плоскости:
cos^2 θ · X^2 + Y^2 = R^2,
или
X^2 / R2/cos2θR^2 / cos^2 θR2/cos2θ + Y^2 / R^2 = 1. 222
Следовательно:
полуоси эллипса: a = R / cos θ вдольнаправленияu,тоестьвдольпересеченияплоскостисxz−плоскостьювдоль направления u, то есть вдоль пересечения плоскости с xz-плоскостьювдольнаправленияu,тоестьвдольпересеченияплоскостисxz−плоскостью, b = R вдольнаправленияv,т.е.вдольосиyвдоль направления v, т.е. вдоль оси yвдольнаправленияv,т.е.вдольосиy;центр эллипса — проекция оси цилиндра на плоскость, точка x,y,zx,y,zx,y,z = 0,0,h0,0,h0,0,h вкоординатахплоскостицентр=(X,Y)=(0,0)в координатах плоскости центр = (X,Y) = (0,0)вкоординатахплоскостицентр=(X,Y)=(0,0);параметризация в пространстве:xttt = R cos t,
yttt = R sin t,
zttt = R cos t · tan θ + h,
или в координатах плоскости: Xttt = R/cosθR / cos θR/cosθ cos t, Yttt = R sin t.
Если удобнее описать наклон плоскости через угол φ между плоскостью и осью цилиндра осьzось zосьz: тогда φ = π/2 − θ и cos θ = sin φ, и
a = R / cos θ = R / sin φ, b = R.
Общий случай наклонвпроизвольномазимутеψнаклон в произвольном азимуте ψнаклонвпроизвольномазимутеψ: плоскость, наклонённая в направлении, образующем угол ψ с осью x в плоскости xy, можно взять в виде
z = tan θ xcosψ+ysinψx cos ψ + y sin ψxcosψ+ysinψ + h.
В этом случае один из направляющих векторов плоскости равен u = cosψcosθ,sinψcosθ,sinθcos ψ cos θ, sin ψ cos θ, sin θcosψcosθ,sinψcosθ,sinθ, второй — v = −sinψ,cosψ,0−sin ψ, cos ψ, 0−sinψ,cosψ,0, и в координатах X,YX,YX,Y вдоль этих векторов уравнение сечения снова примет вид
cos^2 θ · X^2 + Y^2 = R^2,
то есть полуоси те же: a = R / cos θ вдоль направления проекции наклона, b = R перпендикулярно ей.
Итого: при наклоне плоскости на угол θ отгоризонталиот горизонталиотгоризонтали сечение цилиндра — эллипс с полуосями a = R / cos θ и b = R, ориентированный так, что большая полуось направлена вдоль проекции направления наклона плоскости на поверхность цилиндра.