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空间曲线的切线与法平面

下一节:多元函数的近似计算与误差估计

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空间曲线的切线与法平面课程教案、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

我们来学习参数曲线的切线和法平面

前面我们探究了不同表达形式下

空间曲面的切平面与法向量计算公式

那么空间曲线具有哪些表达形式

如何确定不同表达形式下曲线的切线和法平面

这就是本节的主要内容

我们来考察大家比较熟悉的斜抛运动

假设初始速度为v。

取初始位置为坐标原点

忽略空气阻力

在水平方向上

物体作匀速直线运动

因此有

在竖直方向上

物体作上抛运动

因此

综合起来

斜抛运动可以用参数形式给出

这个方法具有一般性吗

考察空间的参数曲线r(t)

如何确定参数曲线的切向量

切线方程

以及法平面方程

对参数求导

可以得到参数曲线的切向量

再利用点的信息

可以写出切线的点向式方程

曲线的切向量也就是它的法平面的法向

因此

可以写出曲线法平面的点法式方程

考察空间参数曲线L

与锥面S的母线之间的夹角

首先计算参数曲线L的切向量

直接对参数求导

可以得到切向量的参数表达式

利用曲线L的参数表达式

可以用变量x y z来表达切向量T

而锥面S的顶点是坐标原点

母线方向为S=(x,y,z)

参数曲线L与锥面S的母线之间的夹角

就定义为曲线切向量T

与锥面的母线方向S之间的夹角

利用向量的数量积

可以计算出向量间的夹角的余弦

这是一个常数

也就是说

在每一点处

空间参数曲线L与锥面S的母线

之间的夹角是不变的

几何上

两张相交曲面的交线一般是一条曲线

如何确定这样曲线的切向量

代数上

联立两个三元方程所构成的方程组

就表达了空间中的一条曲线

这称为曲线的一般方程

曲线一般方程的几何意义是什么

同学动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

一个关于变量x y z的方程

一般表达的是空间中的一张隐式曲面

而两个三元方程联立

就表达两张曲面的交线

对曲面的隐式方程求全微分

可以得到隐式曲面的法向量

交线的切向量T

与两张曲面的法向量都垂直

也就是说

可以取曲线的切向量为

两张曲面法向量的向量积

进一步地

考察其它情形

例如一张

显式曲面与一张隐式曲面的交线等

考察显式曲面z=f(x,y)

与一张平面的交线

如何确定交线的切向量

我们知道

显式曲面z=f(x,y)

可以写成隐式曲面z-f(x,y)=0

也可以写成参数曲面

r(x,y)=(x,y,f(x,y))

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

改写平面方程

写成一个隐式的形式

由此可以求出平面的法向量

计算曲面法向量与平面法向量的向量积

可以得到交线的切向量

空间柱坐标系

利用三个变量(r,θ,z)

来表达空间中的点

进一步地

利用关于变量(r,θ,z)的方程

表达空间的曲面和曲线

类似于

直角坐标系下x y z的三个坐标轴

是相互正交的

那么

柱坐标系下的坐标轴分别是什么

它们是相互正交的吗

当变量θ z保持不变

只有变量r变化时

在空间描出来的是一条射线

称为r曲线

对变量r求导

可以得它的切向量

这就是射线方向

记为

当变量r z保持不变

只有变量θ变化时

在空间描出来的是一条圆周

称为θ曲线

对变量θ求导

可得它的切向量

记为

当变量r θ保持不变

只有变量z变化时

在空间描绘出来的是一条竖直的直线

称为z曲线

对变量z求导

可得它的切向量

记为

分别计算着三个切向量之间的数量积

可以发现它们两两的数量积都为零

也就是

三个切向量两两正交

前面推导了柱坐标系下坐标轴r曲线

θ曲线

以及z曲线

相对应的切向量

取它们的单位向量

得到

它们两两垂直

并且构成右手系

也就是说

在空间中任意一点处

单位向量 构成一组基向量

利用它们的线性组合

可以表达该点处的任意的向量

但是与直角坐标系下坐标轴线

方向保持不变不同

柱坐标系下的坐标轴线的方向

随着点的位置不同而改变

因此称之为活动标架

利用柱坐标系的活动标架

可以考察关于变量r θ z的可微函数

它的梯度在柱坐标系下的表达形式

柱坐标系下

如何确定关于变量r θ z可微函数的梯度

当然

可以将柱坐标转化为直角坐标

再求可微函数的梯度

但是这样就显得非常麻烦了

下面

我们利用柱坐标系的活动标架

来推导关于变量可微函数的梯度表达式

在空间P点处

建立活动标架

考察当变量r θ z变化时

引起的有向弧长的变化

我们还是采用控制变量法

每次只有一个变量变化

当r变为r+Δr时

相应的弧长变化量就是Δr

当θ变为θ+Δθ时

相应的弧长变化量就是rΔθ

当z变为z+Δz时

相应的弧长变化量就是Δz

再注意到它们事实上

是在各自单位方向上的变化

综合起来

当变量r θ z

分别具有Δr Δθ Δz 的变化量时

相应的弧长变化量是向量Δs

在取极限的意义下

就得到了有向弧长元ds

再考察三元函数f(r,θ,z)的变化量

或者说

对三元函数f(r,θ,z)求全微分

得到df的表达式

将df改写成两个向量的数量积形式

一个向量就是上面提到的有向弧长元

另一个向量就是

函数在柱坐标系下的梯度表达式

这就不是简单的对应坐标求导作为坐标的

这么简单了

对角度θ的求导

需要除以一个r

现在可以理解

为什么需要除以一个r了吗

同学 动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

空间球坐标系

利用三个变量ρ θ φ

来表达空间中的点

进一步地

利用关于变量ρθφ的方程表达空间的曲面

和曲线

那么

球坐标系下的坐标轴分别是什么

它们是相互正交的吗

当变量θφ保持不变时

只有ρ变化时

在空间描出来的是一条射线

称为ρ曲线

对变量ρ求导

可得它的切向量

就是射线方向

记为

当变量ρφ保持不变时

只有变量θ变化

在空间描出来的是一条圆周

半径为

即为θ曲线

对变量θ求导

可得它的切向量

记为

当变量ρθ保持不变

只有变量φ变化时

在空间描出来的就是从北极到南极的经线

称为φ曲线

对变量φ求导

可得它的切向量

记为

分别计算这三个切向量之间的数量积

可以发现它们两两的数量积都为零

也就是

三个切向量两两正交

球坐标系下的坐标轴ρ曲线 θ曲线

以及φ曲线

相对应的切向量

取它们的单位向量

得到

它们两两垂直

并且 构成右手系

称为球坐标系下的活动标架

类似于柱坐标系下的讨论

可得球坐标系下的有向弧长元ds

再对关于变量ρθφ的可微函数求全微分

并写成有向弧长元与梯度的数量积形式

就可以得到

函数在球坐标系下的梯度表达式了

同学 动脑想一想

动手写一写

理解一下球坐标系下的梯度表达式

到学习讨论区

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本讲

我们探究了空间曲线的不同表达形式

例如

参数曲线

作为曲面交线的一般曲线等

并推导了各种表达形式下曲线的切向量

切线以及法平面方程

进一步地

探究了柱坐标系和球坐标系下

坐标轴线的切向量

以及活动标架

最后推导了

柱坐标系和球坐标系下

可微函数的梯度表达式

这些都可以视为多元函数一阶微分的应用

利用多元函数一阶微分

还可以对多元函数作近似计算和误差估计

有关多元函数的近似计算和误差估计

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

空间曲线的切线与法平面笔记与讨论

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