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曲面的切平面与法线(之一)

下一节:曲面的切平面与法线(之二)

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曲面的切平面与法线(之一)课程教案、知识点、字幕

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

微积分——多元函数与重积分课程列表:

第一章 多元函数微分学

-第一节 多元连续函数

--向量的内积与长度-1

--向量的内积与长度-2

--R^n中的点列的收敛性

--内点、外点、边界点-1

--内点、外点、边界点-2

--开集、闭集、区域

--多元函数的有关概念

--二重极限的定义

--二重极限的例题

--二次极限的定义

--连续与一致连续的定义

--连续函数的性质-1

--连续函数的性质-2

--连续函数的性质-3

-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

--混和偏导数与求导顺序无关的条件

-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

--复合函数微分法之一

--复合函数微分法之二

--复合函数求导数(举例)

--隐函数存在定理

--隐函数求导法(举例)

--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

--梯度向量的概念与计算

-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

--映射与连续映射的概念

--映射的导数、微分、雅克比矩阵

--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)

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式-2

--二元函数带有Lagrange型余项的泰勒公式

-第一章 多元函数微分学--第七节练习题

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(之一)

--空间曲线的切线与法平面(之二)

--空间曲线的切线与法平面问题举例

--曲面的切平面与法线(之一)

--曲面的切平面与法线(之二)

--曲面的切平面与法线(之三)

--曲面的切平面与法线问题举例

-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

--极值点的概念和必要条件

--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

--二元函数条件极值问题的提法

--三元函数条件极值问题的提法(之一)

--三元函数条件极值问题的提法(之二)

--条件极值问题的直接解法

--条件极值问题的Lagrange解法

--条件极值问题举例

--多元函数在有界闭域上的最值

--最小二乘法

-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题

第三章重积分

-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

--关于二重积分性质的例题

-第二节 二重积分的计算

--二重积分的计算:直角坐标系(1)

--二重积分的计算:直角坐标系(2)

--二重积分的计算:直角坐标系(3)

-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

--二重积分的一般坐标变换公式

--二重积分的计算:极坐标系

--二重积分的计算:极坐标系例题

--二重积分的计算:一般坐标系例题

-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

--三重积分的计算:例题(1)

--三重积分的计算:例题(2)

--空间坐标变换

--空间柱坐标系

--空间柱坐标系例题(1)

--空间柱坐标系例题(2)

--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

--第一类曲线积分的引入

--第一类曲线积分的定义

--第一类曲线积分的性质

--第一类曲线积分的计算公式

--第一类曲线积分的计算例题

-第三章重积分--第五节 练习题

-第六节 第一类曲面积分

--第一类曲面积分的引入

--第一类曲面积分的定义

--第一类曲面积分的性质

--第一类曲面积分的计算公式

--第一类曲面积分的计算例题(1)

--第一类曲面积分的计算例题(2)

-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

--广义含参积分的连续性和积分导数

-第三章重积分--第七节 练习题

第四章 向量分析

-第一节 第二类曲线积分

--第二类曲线积分的引入

--第二类曲线积分的定义

--第二类曲线积分的性质第二类曲线积分的性质

--第二类曲线积分的性质

-第四章 向量分析--第一节 练习题

-第二节 Green公式及其应用

--平面第二类曲线积分:Green公式

--平面第二类曲线积分的计算:利用Green 公式

-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

--第二类曲面积分的引入

--第二类曲面积分的定义与性质

--第二类曲面积分的计算

-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

--第二类曲面积分的计算:Gauss公式

--Stokes公式及其应用

-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

第五章 常微分方程

-第一节 微分方程的基本概念

--微分方程概念举例

--微分方程的基本概念

--一阶微分方程定解问题解的存在唯一性

-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

--可化为齐次型方程的方程

--一阶线性微分方程的概念和解的性质

--一阶线性微分方程的解法

--Bernoulli方程

--可降阶方程(之一)

--可降阶方程(之二)

-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

--线性微分方程解的性质

--函数组线性相关(无关)的概念

--函数组线性相关的必要条件

--线性微分方程解函数组线性相关的判别法

--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

--视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

--n阶线性齐次微分方程的特征法

-- 线性齐次微分方程的特征法举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之一)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)

--欧拉方程

--欧拉方程举例

-第五章 常微分方程--第四节 练习题

曲面的切平面与法线(之一)笔记与讨论

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