ทรงรี (Ellipsoid)
สมการทั่วไป $ Ax^{2}+By^{2}+Cz^{2}=D $ เมื่อ $ A,B,C,D > 0 $
สามารถจัดสมการใหม่ในรูป
สมการมาตรฐาน
$ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $ เมื่อ $a,b,c>0$
ซึ่งเราจะนำสมการมาตรฐานมาพิจารณาตามหลักการเขียนกราฟ ดังนี้
จุดตัดแกน
- เมื่อแทนค่า $y=0$ และ $z=0$ ลงในสมการมาตรฐานจะได้จุดตัดแกน$x$ สองจุดคือจุด $ (\pm a,0,0) $
- เมื่อแทนค่า $x=0$ และ $z=0$ ลงในสมการมาตรฐานจะได้จุดตัดแกน $y$ สองจุุดคือจุด$ (0,\pm b,0) $
- เมื่อแทนค่า $x=0$ และ $y=0$ ลงในสมการมาตรฐานจะได้จุดตัดแกน $z$ สองจุดคือจุด $ (0,0,\pm c) $
ภาพตัดขวางบนระนาบพิกัด
- ระนาบ $xy$
แทนค่า $z=0$ ในสมการจะได้ $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}} =1 $ ซึ่งจะมีกราฟเป็นรูปวงรี
- ระนาบ $xz$
แทนค่า $y=0$ ในสมการจะได้ $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $ ซึ่งจะมีกราฟเป็นรูปวงรี
- ระนาบ $yz$
แทนค่า $x=0$ ในสมการจะได้ $ \frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $ ซึ่งจะมีกราฟเป็นรูปวงรี
ภาพตัดขวางที่ขนานกับระนาบพิกัด
- ขนานระนาบ $xy$
ที่ $z=k $ เมื่อ $ k $ เป็นจำนวนจริงที่ไม่ใช่ศูนย์
แทนค่า ในสมการได้ $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{k^{2}}{c^{2}}=1 $
หรือ
$ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}} = 1-\frac{k^{2}}{c^{2}} $
- จะไม่มีกราฟ
เมื่อ $|k| > c $ หรือ $ k \in (-\infty , -c) \cup (c,\infty) $
- จะได้กราฟเป็นจุด
เมื่อ$ k= \pm c $
- จะได้กราฟเป็นวงรี
เมื่อ $|k| < c $ หรือ $ k \in (-c,c) $
- ขนานระนาบ $xz$
ที่ $y=k $ เมื่อ $ k $ เป็นจำนวนจริงที่ไม่ใช่ศูนย์
แทนค่า $y=k $ ในสมการได้ $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{k^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $
หรือ
$ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}} = 1-\frac{k^{2}}{b^{2}} $
- จะไม่มีกราฟ
เมื่อ $|k| > b $ หรือ $ k \in (-\infty , -b) \cup (b,\infty) $
- จะได้กราฟเป็นจุด
เมื่อ$ k= \pm b $
- จะได้กราฟเป็นวงรี
เมื่อ $|k| < b $ หรือ $ k \in (-b,b) $
- ขนานระนาบ $yz$
ที่ $x=k $ เมื่อ $ k $ เป็นจำนวนจริงที่ไม่ใช่ศูนย์
แทนค่า $x=k $ ในสมการได้ $ \frac{k^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $
หรือ
$ \frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}} = 1-\frac{k^{2}}{a^{2}} $
- จะไม่มีกราฟ
เมื่อ $|k| > a $ หรือ $ k \in (-\infty , -a) \cup (a,\infty) $
- จะได้กราฟเป็นจุด
เมื่อ$ k= \pm a $
- จะได้กราฟเป็นวงรี
เมื่อ $|k| < a $ หรือ $ k \in (-a,a) $
กราฟของผิวทรงรี
เมื่อสมการผิวทรงรีคือ $ x^{2}+\frac{y^{2}}{4}+\frac{z^{2}}{9}=1 $ ในที่นี้ $ a=1,b=2,c=3$
จะได้กราฟดังนี้
การทดสอบสมมาตรของพื้นผิว
จาก $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}=1 $ จัดรูปสมการใหม่ได้ $ \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}-1=0 $
ให้ $ F(x,y,z)=\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}-1 $
ทดสอบสมมาตรกับจุดกำเนิด โดยพิจารณา
$ F(-x,-y,-z)=\frac{(-x)^{2}}{a^{2}}+\frac{(-y)^{2}}{b^{2}}+\frac{(-z)^{2}}{c^{2}}-1 = \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}+\frac{z^{2}}{c^{2}}-1 = F(x,y,z)$
ดังนั้นกราฟสมมาตรกับจุดกำเนิด
ในการทดสอบความสมมาตรกับ แกนพิกัด และระนาบพิกัด ขอละไว้ให้ผู้อ่านลองตรวจสอบดู
ซึ่งจะได้ว่า กราฟพื้นผิวนี้จะ
สมมาตรกับแกนพิกัด x,y,z
และ สมมาตรกับระนาบพิกัด xy, xz,yz
ตัวอย่าง
จงวาดกราฟของพื้นผิว $9x^{2}+9y^{2}+4z^{2}=36$ พร้อมบอกชื่อพื้นผิวและจุดตัดแกน
วิธีทำ
จากสมการ $9x^{2}+9y^{2}+4z^{2}=36$ สามารถจัดเป็นรูปสมการมาตรฐาน
$\frac{x^{2}}{4}+\frac{y^{2}}{4}+\frac{z^{2}}{9}=1$
หรือ $\frac{x^{2}}{2^{2}}+\frac{y^{2}}{2^{2}}+\frac{z^{2}}{3^{2}}=1$
ดังนั้น พิ้นผิวนี้มีกราฟเป็นรูปทรงรี
- ตัดแกน$x$
ที่จุด$(\pm 2,0,0)$
- ตัดแกน $y$
ที่จุด $(0,\pm 2,0)$
- ตัดแกน $z$
ที่จุด $(0,0,\pm 3)$
สรุป