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问题举例
我们已经给出了
当曲线以参数方程
或者是一般方程给出时
我们如何求曲线在指定点的
切线和法平面方程
在这一节 我们看两个具体的例题
第一个例题
我们求一求螺旋线
L也就是x等于cost
y等于sint z等于t
在点(1,0,0)处的切线方程
和法平面方程
这个螺线实际上它相当于是
一个点在一个平面上绕着一个圆运动
同时这个平面又以一个匀速上下运动
那么这个点的轨迹
就是所谓的螺线
它一个简单形式下的方程
我们就可以把t取成参数
它螺线上任一点的坐标(x,y,z)
与t就有这个关系
这实际就是螺线的参数方程
那么根据参数方程形式下
我们切向量的计算公式
它的切向量应该是
x关于t的导数就是负的sint
y关于t的导数就是cost
z关于t的导数是一
这就是它在参数t对应的点处的切向量
就这个题目来说
因为它求的是(1,0,0)这一点
我们知道它实际是参数t等于零对应的点
那么我们要求的这个
参数t等于零对应的点的切向量就是
第一个分量是零
第二个分量是一
第三个分量是一
我们知道了切向量 知道了点
所以说 它的切线方程
我们就直接写出来了
就应该是x减掉一比上零
等于 y减掉零 也就是y比上一
又等 就是z减掉零 就是z比上一
当然 同学们可能觉得奇怪
你这个除法 分母怎么可以等于零
大家注意 我们在这个地方
这个等式尽管呈现的形式
好像是两个数的相除
但实际我们表示的是说
两个向量平行
它的对应分量应该成比例
如果对应分量成比例
那么第一个表达式
在这个地方表示的应该是
当这个分量等于零时
我们切向量的第一个分量也应该等于零
也应该等于零也就是x减一应该等于零
所以它应该等价于就是
x等于一
那这个自然就是z等于y
这样我们就把这个切线
表示成了两个具体的平面的交线
这是切线方程
类似的 我们自然可以写出法平面方程
法平面方程 第一个
大家注意一下
它的切向量也就是法向量
对法平面来说
分量是等于零的
所以说 我们在这个法平面里面
与x有关的这个项是不出现的
所以我们应该就是直接写
第二个一乘上y减零
实际上就是y
再加上一乘上z减零
实际就是z
这个就是它的法平面方程
法平面方程实际上它不出现x变量
说明它应该是平行于x轴的一个平面
这是在参数方程形式下
怎么样具体的去求切线和法平面方程
接下来我们看第二个例子
第二个例子 我们假设
L的方程是x方加上y方等于a方
x方加上z方等于a方
a是个大于零的实数
我们求这条曲线在这个点
根下二分之a 根下二分之a 根下二分之a
这个点当然在这条曲线上
求这个曲线在这点处的
切线和法平面
实际上 这条曲线尽管我们说
它是以一般方程给出的
但这两张曲面
大家一看也应该很熟悉
这表示的是空间中的两张圆柱面
在它的交线上求这一点
它的切线和法平面方程
因为这个点肯定是在第一卦限的
所以说我们简单的看一下
在第一卦限里面
这两张柱面大概是什么样子
也就是我们画一个直角坐标系
x轴y轴z轴 原点是O
那x方加z方等于a方 在第一卦限里面
是将它与xz平面的交线就是四分之一圆
它母线是平行于y轴的
实际上指的是个四分之一圆柱面
x方加y方等于a方类似的
它与xy平面的交线应该是这个四分之一圆
它母线是平行于z轴的
应该是这一块四分之一圆柱面
那么这两个圆柱面的交线
大概在这个位置
我们画一个示意图
就是这实际就是这个L
在第一卦限中的那一段
相当于我们这个点
就取的这个位置
求这条曲线在这点的
切线方程和法平面方程
那我们看一下
在一般方程形式下
那么我把大F记成x方加y方减a方
我们把大G(x,y,z)记成x方加上z方减a方
那我们就求它们的一阶偏导数
这样大F关于x的一阶偏导是两倍x
然后关于y的一阶偏导就是两倍y
大F关于z的一阶偏导是等于零的
G关于x的一阶偏导两倍x
G关于y的一阶偏导是等于零的
关于z的一阶偏导是等于两倍的z
有了这三个一阶偏导数之后
那么我们切向量的第一个分量A应该是谁
A应该就是这四个数
构成的二阶偏导数的值
应该就是这个两个的乘积减掉这两个的乘积
实际上也就是四倍的yz
考虑到我们是在这边求
y和z都是根下二分之a
所以它的乘积就是二分之a方
这个也就是一个两倍的a方
类似的 我们切向量的第二个分量
切向量的第二个分量应该就是
把x偏导数这一项放到这个地方来
也就是这里有一个两倍x 两倍x
就是这四个数构成的二阶行列式的值
我们看一下这两个的乘积减掉这两个
实际上应该就等于负的四倍的xz的值
把xz的值代进来也就是
负的两倍的a方
我们要求切向量的第三个分量
也就是C
C应该就是再把关于y偏导数放到后面来
这就是两倍的y 0
我们要求这个二阶行列式的值
出来应该是负的四倍的xy的乘积
然后把x y的值代进来
所以它应该也等于负的两倍的a方
当然 大家看一下
我们求的是切向量
我们只要方向
长度与我们求切向量方程
和法平面方程是无关的
所以我们直接就把这个切向量表示成
第一个分量是一
第二个分量是负一
第三个分量也是负一
因为这个向量显然与
(A,B,C)做分量的向量是平行的
这样子的时候
我们就可以把
它在这一点的切线方程
和法平面方程都写出来了
切线方程也就是
x减掉根下二分之a除上一
等于y减掉根下二分之a比上负一
等于z减掉根下二分之a再比上负一
切线方程
法平面方程大家自然自己可以写出来
它应该就是
x减掉根下二分之a
减掉括号里面y减根下二分之a
再减括号里面z减根下二分之a等于零
这是在一般方程形式下
我们按照一般方程形式求切向量的方法
把这个切线和法平面方程求出来
当然 就这一个具体的例子
大家知道 我只关心的是
x y z都是非负的那一段曲线上的情况
所以说在这个前提下
大家自然还可以写出
曲线L的参数方程
也就是说我把x取成参数
那么y就等于根下a方减x方
z就等于根下a方减x方
这就是在第一卦限中
这条曲线L的参数方程
那利用参数方程的形式
大家自然也可以求出它的切向量
求出它的切线方程和法平面方程
在参数方程形式下的具体计算
作为一个练习
大家课下把它写出来
做一下对具体的曲线
如果它不是参数方程形式时
我们如果能把它变成参数方程
如何去处理
-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