Составьте уравнение сферы, если она проходит через точку С (4; -2√10; -2) и начало координат, центр сферы принадлежит координатной плоскости xz, а радиус сферы равен 3√10.
от

1 Ответ

Дано:  
Точка C(4; -2√10; -2), начало координат O(0; 0; 0), радиус сферы r = 3√10. Центр сферы лежит на координатной плоскости xz, то есть его координата по оси y равна нулю.

Найти: уравнение сферы.

Решение:

Уравнение сферы с центром в точке (x₀; y₀; z₀) и радиусом r записывается в виде:

(x - x₀)² + (y - y₀)² + (z - z₀)² = r².

Поскольку центр сферы лежит на плоскости xz, его координаты имеют вид (x₀; 0; z₀), то есть y₀ = 0. Таким образом, уравнение сферы будет:

(x - x₀)² + y² + (z - z₀)² = r².

Для того чтобы найти координаты центра сферы, используем информацию о том, что сфера проходит через точку C(4; -2√10; -2) и начало координат O(0; 0; 0).

1. Найдем радиус сферы.

Радиус сферы — это расстояние от центра сферы до любой точки на ней. Для того чтобы найти радиус, вычислим расстояние от центра сферы до точки C(4; -2√10; -2). Пусть центр сферы имеет координаты (x₀; 0; z₀), тогда расстояние между центром и точкой C можно выразить через формулу расстояния между двумя точками:

d = √((x₀ - 4)² + (0 - (-2√10))² + (z₀ - (-2))²).

Расстояние между центром сферы и точкой C равно радиусу сферы, который равен 3√10. Значит, получаем:

3√10 = √((x₀ - 4)² + (2√10)² + (z₀ + 2)²).

Возведем обе части в квадрат:

(3√10)² = (x₀ - 4)² + (2√10)² + (z₀ + 2)².

90 = (x₀ - 4)² + 40 + (z₀ + 2)².

Приведем подобные:

90 = (x₀ - 4)² + (z₀ + 2)² + 40.

Получаем:

50 = (x₀ - 4)² + (z₀ + 2)².

2. Далее, так как центр сферы лежит на плоскости xz, то его координата по оси y равна нулю, то есть y₀ = 0.

Теперь рассмотрим расстояние от центра сферы до начала координат O(0; 0; 0). Это расстояние также равно радиусу сферы 3√10. Составим уравнение для этого расстояния:

3√10 = √(x₀² + 0² + z₀²).

Возведем обе части в квадрат:

(3√10)² = x₀² + z₀².

90 = x₀² + z₀².

3. Теперь у нас есть система уравнений:

(1) 50 = (x₀ - 4)² + (z₀ + 2)²,
(2) 90 = x₀² + z₀².

Разкроем квадратные выражения в уравнении (1):

50 = (x₀² - 8x₀ + 16) + (z₀² + 4z₀ + 4).

Подставим (x₀² + z₀²) = 90 из уравнения (2):

50 = 90 - 8x₀ + 16 + 4z₀ + 4.

Упростим:

50 = 110 - 8x₀ + 4z₀.

Переносим все на одну сторону:

8x₀ - 4z₀ = 60.

Разделим на 4:

2x₀ - z₀ = 15.

Таким образом, мы получаем линейное уравнение:

2x₀ - z₀ = 15.

4. Решим систему из уравнений (2) и (3):

x₀² + z₀² = 90,
2x₀ - z₀ = 15.

Выразим z₀ через x₀ из уравнения (3):

z₀ = 2x₀ - 15.

Подставим это в уравнение (2):

x₀² + (2x₀ - 15)² = 90.

Раскроем квадрат:

x₀² + (4x₀² - 60x₀ + 225) = 90.

Приведем подобные:

5x₀² - 60x₀ + 225 = 90.

Упростим:

5x₀² - 60x₀ + 135 = 0.

Разделим на 5:

x₀² - 12x₀ + 27 = 0.

Решим это квадратное уравнение:

x₀ = (12 ± √(12² - 4×1×27)) / (2×1),
x₀ = (12 ± √(144 - 108)) / 2,
x₀ = (12 ± √36) / 2,
x₀ = (12 ± 6) / 2.

Получаем два возможных значения для x₀:

x₀ = (12 + 6) / 2 = 9 или x₀ = (12 - 6) / 2 = 3.

Подставим эти значения в уравнение для z₀:

1. Если x₀ = 9, то z₀ = 2(9) - 15 = 18 - 15 = 3.
2. Если x₀ = 3, то z₀ = 2(3) - 15 = 6 - 15 = -9.

Таким образом, возможные координаты центра сферы — (9; 0; 3) или (3; 0; -9).

5. Уравнение сферы с центром в точке (x₀; 0; z₀) и радиусом r = 3√10 будет иметь вид:

(x - x₀)² + y² + (z - z₀)² = (3√10)².

Для центра (9; 0; 3):

(x - 9)² + y² + (z - 3)² = 90.

Для центра (3; 0; -9):

(x - 3)² + y² + (z + 9)² = 90.

Ответ:  
Уравнение сферы с центром в точке (9; 0; 3) и радиусом 3√10:  
(x - 9)² + y² + (z - 3)² = 90.
Уравнение сферы с центром в точке (3; 0; -9) и радиусом 3√10:  
(x - 3)² + y² + (z + 9)² = 90.
от