当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第二章 多元函数微分学应用 > 第一节 多元函数微分学的几何应用 > 空间曲线的切线与法平面(之二)
好 前面我们已经介绍了
在参数方程形式下
怎么样求曲线切线和法平面问题
接下来我们看一下
如果曲线的方程是一般方程时
我们怎么求
也就是说
一般方程形式下怎么样求
曲线的切线与曲线的法平面问题
我们先看一个特殊情况
也就是说 我们假设
L的一般方程是这个样子
也就是y=y(x) z=z(x)
我们知道在三维空间里面
y=y(x)表示的是一张
母线平行于z轴的柱面
而z=z(x)表示的是一张
母线平行于y轴的柱面
也就是说 这个时候
L应该是两张柱面的交线
如果我们在这个方程形式下
我们要求这条曲线L
在(x0,y0,z0)处的切线和法平面方程
也就是要求在这点的切向量
我们该怎么求
我们把这个方程
可以给它看成是这个样子
也就是 我让x是参数
那么x y z自然就
都与这个参数x建立了联系
当然 为了保证我们的切向量是有的
我们在这个地方对y(x) z(x)
这两个函数加的是
具有一阶连续导数的条件
在这个前提下 根据我们前面
参数方程形式下的切向量的计算
我们就知道切向量的第一个分量
就是x关于x求导
第二个分量就是y关于x求导
在相应点的值
第三个分量就是z关于x的导数
在相应点的值
那么切向量出来了
我们自然就可以写出
它的切线方程 也就是
x减掉x0除上一 等于
y减y0除上y'(x0) 等于
z减z0除上z'(x0)
其中y0是y(x)这个函数在x0点的值
z0是z(x)这个函数在x0这点的值
类似的 大家自然可以写出
它的法平面方程 也就是
x减掉x0 前面乘一 再加上
y'(x0)乘上y减y0 再加上
z'(x0)乘上z减z0 等于零
这是在这种特殊的一般方程形式下
我们写出了它在相应点的
切线方程和法平面方程
现在我们考虑一般形式
一般形式 所谓一般方程 指的是
我们把曲线看成是空间中
两张曲面的交线
而这两张曲面的方程我们分别用
大F(x,y,z)等于零
和大写的G(x,y,z)等于零来表示
那么这个时候
我们怎么样来求
它的切线方程和法平面方程
那我们看一下
在前面我们介绍隐函数组求导的时候
我们曾经说过
这两个方程可以理解成是
变量x y z满足的方程组
在一定条件下 如果给定了x的值
我们就会得到唯一的y和z与它对应
也就是在一定条件下
这个方程组可以确定y是x的函数
z也是x的函数
那么我们求这条曲线
在相应点的切向量的时候
实际上 根据前面这种特殊情况下的求法
我们主要就是求
y z关于x的导数就可以了
那我们知道 在一定条件下
我们可以在方程两端关于x求导
y z当成中间变量
就会得到y z关于x的导数
满足的一个一次方程组
这个方程组 我们把它的解写出来
就是y'(x)应该等于
分子这个地方应该就是
F关于z的偏导数
F关于x的偏导数 放在第一行
G关于z的偏导数
G关于x的偏导数 放在第二行
构成的一个二阶行列式的值 这是分子
分母应该就是
F关于y的偏导数 F关于z的偏导数
G关于y的偏导数 G关于z的偏导数
构成的另外一个二阶行列式的值
这个导数我们就求出来了
类似的 我们另外一个导数
在解方程组的过程中 也得到了
它的分母跟y'(x)的分母是一样的
这一个我们不再重复了
它的分子应该是这样子的
应该就是大F关于x的偏导数
大F关于y的偏导数
G关于x的偏导数 G关于y的偏导数
正好构成了一个新的二阶行列式的值
也就是说我们利用
这两个曲面的方程函数
可以得到我们要的这两个导数值
那我们的切向量就应该是等于
第一个分量是一
第二个分量是y关于x的导数
第三个分量是z关于x的导数
我们把y z关于x的导数代进去
我们为了使得这个形式好看
我们再给它乘一个非零数
就是这个分母
所以这个法向量应该平行于
就是第一个分量是个二阶行列式
这个二阶行列式的值是
F关于y的偏导数 F关于z的偏导数
G关于y的偏导数 G关于z的偏导数
这是这个向量的第一个分量
第二个分量应该就是
F关于z的偏导数 F关于x的偏导数
G关于z的偏导数 G关于x的偏导数
构成的这个二阶行列式是第二个分量
第三个分量是
F关于x的偏导数 F关于y的偏导数
G关于x的偏导数 G关于y的偏导数
构成的这个二阶行列式的值
这样我们就得到了它的一个切向量
有了切向量之后
我们自然就可以写出
它的切线方程和法平面方程
那 我这个三个分量
分别用大写的(A,B,C)来表示的时候
那么它的切线方程就是
x减x0除上A等于
y减y0除上B等于
z减z0比上C
其中(x0,y0,z0)是曲线上
我们要求切线的那一点
(x,y,z)我们表示的是
切线上任一点的坐标
法平面方程就是
A乘上x减x0 再加上
B乘上y减y0 再加上
C乘上z减z0等于零
在这个地方(x,y,z)
表示的是法平面上任一点的坐标
在这个形式下 我们来求
切线和法平面方程时
一般同学感觉到
这个切向量计算量是不是很大
首先大家只要知道
二阶行列式的值怎么求
这个计算量本身并不算太大
但是有的同学会感觉到
我怎么样能够记住这个切向量
实际上大家注意一下
在这个行列式里面
第一行它只牵扯到了大F这个函数
关于x y z的偏导数
第二行我们只牵扯到了
大G(x,y,z)这个函数
关于x y z的偏导数
那我怎么去找
第一个它是缺x的偏导数的
所以说它就没有x的偏导数
那自然就是y和z的偏导数
顺序就是从y到z
所以顺序这个时候就是y z
第二个它是没有关于y的偏导数
剩下的是只关于x关于z
那它的顺序就是z x
第三个自然就缺关于z的偏导数
它的顺序就是x y
也就是说
按照我们的习惯
x y z是这个顺序
第一个把x拿掉
拿掉放到哪 放到后面来
这就是x
第二个把y拿掉
拿掉以后再放到后面来
第三个把z拿掉
所以这应该有一个轮换顺序
如果大家了解了这一个的时候
这个切向量自然就能够记住了
这是关于在一般方程形式下
我们怎么样求切线方程和法平面方程
刚才我们说在一定条件下
我们的一定条件指的是什么
指的是 这两个函数
具有一阶连续偏导数
同时 这两个函数
关于y z的一阶偏导数
构成的这个二阶行列式的值
是不等于零的
我想在这两个条件里面
第二个条件从我们的计算公式就知道
而第一个条件这就是我们一般的
对曲线光滑性的描述
就是说 它的方程应该具有一阶连续导数
或者是偏导数
在空间曲线问题里面
我们经常还会说到
说切向量它的方向余弦 指的是什么
方向余弦当然是方向角的余弦
而方向角指的是什么
是指的这个切向量
与三个坐标轴正向的之间的夹角
这是一个问题
另外我们还会经常说
空间中两条曲线它的夹角
夹角指的是
这两条曲线在交点处切线的夹角
如果我们切向量会求了
那么根据两个向量内积的定义
我们自然就能求出夹角的余弦来
当然最后一个问题 请大家想一想
就是说 我们在讲定积分的时候
曾经讲过利用定积分求曲线的长度
而且有一个结论是说
如果我们的空间曲线
是以参数方程形式给出的
那么它的长度的计算
应该是参数从α到β积分
被积函数应该就是
x关于t导数的平方
加上y关于t导数的平方
再加上z关于t导数的平方
那现在我们学了
空间曲线的切向量之后
大家能不能看出来
在这个积分里面
被积函数是什么
被积函数正好是
在参数方程形式下
我们得到的切向量的长度
这样 回过头来
我们可以更好的去理解
利用积分求曲线长度时
这个表达形式
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题