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 > 曲面的切平面与法线(之一)
前面我们介绍了
微分学几何应用的第一个方面
也就是曲线的切线和法平面问题
从这节开始
我们介绍一下
微分学几何应用的另外一个方面
也就是关于空间曲面
在一点的切平面和法线的问题
我们先看一下它的概念
所谓曲面在一点的切平面和法线
主要在几何上看的就是这回事
假设这是一张曲面S
我们在曲面上有一个定点
用M0来表示
说曲面S在M0这一点的切平面是什么
实际上就是希望找一个过M0的平面
然后这个平面在这一点附近
满足一定的性质
当然这样说很笼统
我们不好去怎么操作这个平面
前面我们介绍过曲线的切线
切线大家知道 它的刻画是很准确的
所以现在我们就利用
我们知道的曲线在一点的切线
来定义曲面在一点的切平面
怎么定义 我们假设
L是过M0这一点
而且位于曲面S上的一条光滑曲线
那么L在这一点M0处就有切线
但是过M0在S上
我们不止能做一条曲线
我们还可以做无穷多条
那么每一条光滑曲线在这点都有切线
如果这些光滑曲线在M0这点的切线
恰好落在一张平面上
那这个平面当然就过M0的一张特殊平面
我们所谓的切平面就是
把所有切线位于的这张平面
称为曲面S在这点的切平面
我们把这个几何表述
写成一个严格的数学定义
就是这个样子
我们设S是一张空间曲面
M0是S上的一个定点
如果在曲面S中过M0的光滑曲线
在M0处的切线
都位于同一张平面大π中
我们就称平面π是曲面S在M0处的切平面
过点M0
且与曲面在这一点的切平面垂直的直线
称为曲面在M0处的法线
有了我们曲面在一点
切平面和法线的定义之后
那我们的问题就是说
一张曲面在给定的点
是不是一定存在切平面
关于这个问题
我们在微积分课程里面不做讨论
我们在讨论到切平面问题时
为了保证曲面的切平面总是存在的
我们就对曲面加条件
与前面讨论曲线时一样
我们一般说这张曲面是光滑的 是正则的
什么叫光滑 什么叫正则
主要体现在我们曲面方程那个函数上
也就是对函数加条件就行了
所以接下来我们主要讨论一下
当曲面方程知道时
我们怎么样求曲面
在指定点的切平面方程和法线方程
当然切点知道了
为了写切平面方程和法线方程
只要把它在这一点的法向量求出来就可以了
那我们先看一下
如果曲面S方程是一般方程
也就是当曲面给的是一般方程
怎么样求它在相应点的
切平面方程和法线方程
就是这个问题
我们假设S曲面它的方程是
x y z满足的一个等式
用大写的F(x,y,z)这个函数等于零来表示
我们说这张曲面是光滑的
指的是这个大F
它应该是具有一阶连续导数
我们用C1来表示
一阶偏导数都连续的函数
我们说它是正则的
指的是它关于x的偏导数
和它关于y的偏导数
以及大F关于z的偏导数
不能同时为零
然后在这个条件下
我们看怎么样用切平面的定义
来求它的切平面方程
刚才我们解释过
也就是说 求切平面方程
关键就是看能不能求法向量
现在我们假设这个L
它是包含在S中的一条光滑曲线
它的方程用x等于x(t)
y等于y(y) z等于z(t)来表示
光滑也就是这三个函数
同时都是具有一阶连续导数的
而且正则也是我们的条件
就是这三个一阶导数不能同时为零
在这个前提下 我们看一下
因为曲线是属于曲面的
所以说 曲线上的点
自然应该满足曲面的方程
也就是这一个东西要等于零
那根据复合函数的链导法则
我们在等式两端关于变量t求导
也就是它关于x的偏导数在这点取值
再乘上x关于t的导数
再加上它关于y的偏导数在这点取值
再乘上y关于t的导数
再加上它关于z的偏导数
乘上z关于t的导数
这是左边的导数
右边导数当然是等于零
有了这个等式之后
我们可以把这个表达式
理解成是两个向量的内积
其中 有一个向量我们用n来表示
就是分量是这个大F
它的三个一阶偏导数在相应点的值
另外一个向量我们用τ来表示
就是(x'(t),y'(t),z'(t))
实际上第二个向量我们是很熟悉的
这就是当曲线以参数方程形式给出时
它在相应点的一个切向量
那这个等式就意味着
我们这个向量n
是与这个切向量垂直的
换句话说 也就是在相应的点
我们得到了一个与曲面上过相应点的
光滑曲线的切线垂直的一个向量
因为我们这个曲线是任意的
换句话说我们这个向量n它就垂直于
过这一点所有的S中的
光滑曲线在这一点的切线
根据切平面的定义
我们就知道这个向量n
实际就应该垂直于切平面
垂直于切平面
它自然就应该是切平面的法向量
所以说我们根据切平面定义
知道在一般方程形式下
实际上切平面的法向量是非常好求的
就是利用这个函数的三个一阶偏导数
做分量得到的向量
这样我们就可以写出了
如果我们考虑的点
是x y z分别等于a b c的时候
那么它的切平面方程
应该就是这样子
F关于x的偏导数在(a,b,c)这一点取值
我写一下(a,b,c)这点取值
乘上x减a 再加上
F关于y的偏导数在(a,b,c)这一点取值
再乘上y减b 再加上
它关于z的偏导数在(a,b,c)这一点取值
再乘上z减c 应该等于零
这就是切平面方程
而它的法线方程
如果我们用(x,y,z)
表示法线上的任意一点
也就是x减a比上
它法向量的第一个分量
也就是F关于x的偏导数在(a,b,c)这点取值
应该等于y减b比上
F关于y的偏导数在(a,b,c)这点取值
再等于z减掉c比上
F关于z的偏导数在相应点取值
所以说 在一般方程形式下的
切平面方程 法线方程
我们就得到了一个简单的计算公式
在这个地方 我们关于
它在一点的法向量
我们再做一个解释
实际上我们在前面
讨论多元函数微分学的时候
我们曾经给出了多元函数
梯度向量的概念
梯度向量我们知道从几何上讲
它表示的应该就是函数
在某一点变化速度最快的方向
那作为一个曲面来说
它的方程如果是这个样子的时候
我们自然可以把这个曲面上的点
称为是这个三元函数
一张等值面上的点 等值面
那在等值面方向上
函数值是不发生改变的
那么梯度向量是改变最快的
我们从几何上就可以解释
改变最快的方向
自然应该跟它不发生改变的方向
应该是垂直的
所以说 这个等值面
应该与这个三元函数
在相应点的梯度向量是垂直的
这句话回过来解释就是
它的梯度向量应该是
这张等值面在相应点的法向量
而 大家看一下
我们这样得到的这个向量n
是不是这个三元函数
它的梯度向量的计算公式
所以说这个计算公式
利用梯度向量的几何意义
我们也很好解释它
我想这是关于这个梯度向量的解释
另外一个 前面我们曾经给出了
曲线在一般方程形式下的
切向量的计算公式
现在我们有了曲面在相应点
法向量的计算公式之后
我们是不是可以换一个角度
来解释一下
曲线在一般方程形式下
它的切向量是怎么来的
我把曲线理解成是
两张曲面交线的时候
那么在曲线上一点
我们求出来的切向量
是不是与曲线在这一点的
法向量应该是垂直的
而第一个的法向量
我们可以现在用
第一个函数在相应点的梯度向量来表示
第二个曲面的法向量
自然是用第二个函数
它的梯度向量来表示
我们在交线上的每一点求切向量
那个切向量是既与这个向量垂直
也与这个向量垂直
我们知道两个向量要是做叉积的时候
它得到的应该是第三个向量
而第三个向量从方向上讲
它是既与第一个向量垂直
也与第二个向量垂直
所以说我们为了得到
同时与这个两个向量垂直的一个方向
我们可以用它的叉积来表示
也就是我们的切向量
应该是可以表示成它的叉积
而两个向量的叉乘
大家是不是可以这样来算
也就是 我用i j k表示是
三个坐标轴的方向向量
那么它的第二行应该就是
这个函数它的一阶偏导数
而第三行应该就是
G(x,y,z)这个函数
它的三个一阶偏导数
那大家按第一行展开
展开之后请大家看一下
我们得到的这个向量的三个分量
是不是我们在前面
在曲线是一般方程形式下
我们得到的曲线的切向量
-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