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参数曲面的切平面与法向量

下一节:空间曲线的切线与法平面

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参数曲面的切平面与法向量课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大 微积分老师

宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲

我们来学习参数曲面的切平面和法向量

前面我们探究了显式曲面

和隐式曲面的切平面方程和法向量

曲面除了显式曲面和隐式曲面形式之外

还有参数曲面

那么

如何确定参数曲面的法向量和切平面方程

这就是本节的主要内容

考察关于角度θ和φ的参数方程

当角度φ是从0到π上变化

角度θ是从0到2π变化时

这个参数方程表达的是什么样的空间图形

对 它表达的就是一个单位球面

那么如何确定这个单位球面上

在某一点处切平面和法向量

当角度θ保持不变

只有角度φ变化时

这个参数方程描绘出的是

球面上从北极到南极的一条经线

称为φ曲线

对参数φ求导

可以得到φ曲线的切向量

当角度φ保持不变

只有角度θ变化时

这个参数方程描绘出的是

球面上的平行于赤道的纬线

称为θ曲线

对参数θ求导

可以得到θ曲线的切向量

上面利用对参数求导

求出了参数曲面的φ曲线的切向量

以及θ曲线的切向量

那么

由此如何确定参数曲面的法向量

和切平面方程

法向量一定是与这两个切向量都垂直的

因此

利用向量积的概念

法向量一定平行于这两个切向量的向量积

不妨取

计算可得n等于

即法向量与半径方向一致

这与初等几何得出的结论相一致的

有了法向量

不难写出这个单位球面的切平面方程了

同学 动手写一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

这个方法具有一般性吗

对于含有两个独立参数的参数方程

当参数u,v在uv平面的一个区域内变化时

一般地

参数方程表达的是x,y,z空间中的一张曲面

类似于单位球面上的经线和纬线

当参数v保持不变

只有参数u变化时

这个参数方程描绘出的是

参数曲面上的一条曲线

称为u曲线

当然

参数v取不同值时

一般对应着不同的u曲线

而当参数u保持不变

只有参数v变化时

这个参数方程描绘出的是

参数曲面上的一条曲线

称为v曲线

参数v取不同值时

一般对应着不同的v曲线

参数曲面就是由不同的u曲线

和v曲线交织起来的

对参数曲面上过同一点的u曲线和v曲线

对参数求导

可得到u曲线和v曲线的切向量

计算这两个切向量和的向量积

可以得到切平面的法向量

进而

可以写出切平面的点法式方程

有关空间曲面及其切平面

我们来做一个总结和对比

对于显式曲面z=f(x,y)

它的法向量是

对于隐式曲面F(x,y,z)=0

它的法向量是F的梯度

而参数曲面r(u,v)

它的法向量是u曲线的切向量

和v曲线的的向量积

它们看起来

形式各不相同

它们之间有什么样的联系

对于显式曲面

它可以写成隐式曲面的形式

也可以写成参数曲面

再利用求隐式曲面

或者参数曲面的法向量和切平面方程的方法

求出显式曲面的法向量和切平面方程

同学 自己动手计算一下

再与显式曲面的方法比较一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

反之 在一定条件下

隐式曲面可以局部地写成显式曲面

还记得条件是什么吗

而参数曲面

通过适当的消去参数

可以约化为隐式曲面

进一步的

可以反解成显式曲面

当然对于曲面的不同表现形式

构建不同的计算方案

可以方便快速地解决问题

设有参数曲面x=u+v

如何确定参数曲面的法向量和切平面方程

对参数u求导

可以得到u曲线的切向量

而对参数v求导

可以得到v曲线的切向量

计算这两个切向量的向量积

可以得到切平面的法向量

观察上面得到的法向量的表达式

可以发现当

好像法向量为零

是这样吗

为此我们来考察当

此时

可以在法向量表达式中约去因子

得到向量

它与法向量n平行

因而

也可以作为法向量

进一步地

可以写出切平面的点法式方程

法向量n等于零

但是法向量不等于零

利用法向量

可以写出切平面的点法式方程

但是

如何理解法向量n等于零

而法向量不等于零这件事

同学 动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

在向量代数部分

我们利用向量的数量积

计算了两个向量的夹角

那么如何计算两张平面的夹角

进一步地

如何计算两张曲面的夹角

在立体几何中

我们计算两个平面之间的二面角

同学

还记得如何定义和计算二面角吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

利用平面的法向量概念

可以帮助我们理解平面的夹角吗

同学

仔细观察右图中二面角和两个平面法向量的夹角

你可以得出什么样的结论

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

进一步地

如何定义两张相交的曲面在交点处的夹角

回想一下

我们是如何定义两个相交曲线

在交点处夹角的

曲线的切线之间的夹角就定义为曲线的夹角

我们可不可以将曲面的切平面之间的夹角

定义为曲面的夹角

如何计算曲面的夹角

特别地

如果曲面的切平面相互垂直

则称两曲面正交

考察三个隐式方程

它们分别含有参数u,v,w

当参数u,v,w取不同值时

它们一般是不同的曲面

因此

每个隐式曲面

事实上是一族曲面

对于这三族曲面

考察过同一点的三张曲面

它们两两正交的吗

假设交点为(x,y,z)

计算可得

三个隐式曲面的法向量

再计算可知

它们两两之间的数量积为零

因此

这三个法向量两两垂直

也就是三张曲面两两正交

本讲

我们探究了空间曲面的不同的表达形式

显式曲面 隐式曲面

以及参数曲面

特别是

参数曲面的法向量和切平面方程

进一步地

利用切平面的夹角

定义和计算曲面的夹角

为了描述空间曲线运动

我们需要对空间曲线

及其切线和法平面作进一步的研究

有关空间曲线

及其切线和法平面

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

参数曲面的切平面与法向量笔记与讨论

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