8.7 微分学的几何应用 📖 笔记p15-16

8.7.1 空间曲线的切线与法平面

① 参数方程形式

曲线 $C:\;\begin{cases}x=x(t)\\y=y(t)\\z=z(t)\end{cases}$,在 $t=t_0$ 处:

切向量:$\boldsymbol{\tau} = (x'(t_0),\;y'(t_0),\;z'(t_0))$

切线方程:$\frac{x-x_0}{x'} = \frac{y-y_0}{y'} = \frac{z-z_0}{z'}$

法平面方程:$x'(x-x_0)+y'(y-y_0)+z'(z-z_0)=0$

② 两曲面交线

$\begin{cases}F(x,y,z)=0\\G(x,y,z)=0\end{cases}$

两曲面法向量 $\boldsymbol{n_1}=(F_x,F_y,F_z)$,$\boldsymbol{n_2}=(G_x,G_y,G_z)$

切向量 $= \boldsymbol{n_1}\times\boldsymbol{n_2} = \begin{vmatrix}\boldsymbol{i}&\boldsymbol{j}&\boldsymbol{k}\\F_x&F_y&F_z\\G_x&G_y&G_z\end{vmatrix}$

理解:交线同时在两个曲面上,所以切线必须同时垂直于两个法向量 → 切向量是两个法向量的叉积。

8.7.2 曲面的切平面与法线

切平面
隐式曲面 $F(x,y,z)=0$

法向量:$\boldsymbol{n} = (F_x, F_y, F_z)\big|_{P_0}$

切平面:$F_x(P_0)(x-x_0)+F_y(P_0)(y-y_0)+F_z(P_0)(z-z_0)=0$

法线:$\frac{x-x_0}{F_x}=\frac{y-y_0}{F_y}=\frac{z-z_0}{F_z}$

显式曲面 $z=f(x,y)$

令 $F = f(x,y)-z$,则 $\boldsymbol{n} = (f_x, f_y, -1)$

切平面:$z-z_0 = f_x(P_0)(x-x_0)+f_y(P_0)(y-y_0)$

参数曲面(笔记p16下半)

参数曲面 $\boldsymbol{r}(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))$

$\boldsymbol{r}_u = (x_u, y_u, z_u)$,$\boldsymbol{r}_v = (x_v, y_v, z_v)$

法向量 $= \boldsymbol{r}_u \times \boldsymbol{r}_v$

笔记例题:证明曲面 $F(\frac{x}{z}, \frac{y}{z})=0$ 的切平面过原点。

令 $u=\frac{x}{z}$,$v=\frac{y}{z}$。$F_x = F_u\cdot\frac{1}{z}$,$F_y = F_v\cdot\frac{1}{z}$,$F_z = F_u\cdot(-\frac{x}{z^2})+F_v\cdot(-\frac{y}{z^2})$

切平面方程:$\frac{F_u}{z}(x-x_0)+\frac{F_v}{z}(y-y_0)+F_z(z-z_0)=0$

代入 $(x,y,z)=(0,0,0)$ 验证等式成立即可。

📝 精选例题:几何应用

【2023-2024 填空7】 曲面 $z=x^4+y^4-2x^2$ 在 $(1,1,-1)$ 处的切平面方程。
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$z_x=4x^3-4x$,$z_y=4y^3$。在 $(1,1)$:$z_x=0$,$z_y=4$。

法向量 $(z_x,z_y,-1)=(0,4,-1)$。但题目答案是 $12x-9y+2z-9=0$...可能题目和我记的不完全一致。

方法:$F=x^4+y^4-2x^2-z$,$\boldsymbol{n}=(F_x,F_y,F_z)|_P$,切平面 $F_x(x-x_0)+F_y(y-y_0)+F_z(z-z_0)=0$。

【2022-2023 解答14】 曲线 $\begin{cases}x^2+y^2+z^2=6\\x+y+z=0\end{cases}$ 在 $(1,-2,1)$ 处的切线方程。
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两曲面交线求切线:切向量 = 两法向量的叉积。

$F=x^2+y^2+z^2-6$,$\boldsymbol{n_1}=(2x,2y,2z)|_{(1,-2,1)}=(2,-4,2)$

$G=x+y+z$,$\boldsymbol{n_2}=(1,1,1)$

$$\boldsymbol{\tau}=\boldsymbol{n_1}\times\boldsymbol{n_2}=\begin{vmatrix}\boldsymbol{i}&\boldsymbol{j}&\boldsymbol{k}\\2&-4&2\\1&1&1\end{vmatrix}=(-6,0,6)$$

化简:$\boldsymbol{\tau}=(-1,0,1)$

切线:$\frac{x-1}{-1}=\frac{z-1}{1},\;y=-2$

模板:两曲面交线 → $\boldsymbol{\tau}=\boldsymbol{n_1}\times\boldsymbol{n_2}$(叉积)→ 代入点坐标 → 写方程。

【2020-2021 填空8】 曲线 $3x^2+2y^2=12$,$z=0$ 绕 $y$ 轴旋转,在 $P(0,\sqrt{3},\sqrt{2})$ 处的切平面。
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旋转曲面方程:将 $x$ 替换为 $\sqrt{x^2+z^2}$:$3(x^2+z^2)+2y^2=12$。

$F=3(x^2+z^2)+2y^2-12$。

$F_x=6x|_P=0$,$F_y=4y|_P=4\sqrt{3}$,$F_z=6z|_P=6\sqrt{2}$。

切平面:$4\sqrt{3}(y-\sqrt{3})+6\sqrt{2}(z-\sqrt{2})=0$,化简:$2\sqrt{3}y+3\sqrt{2}z-12=0$

旋转曲面:曲线 $f(y,x)=0$ 绕 $y$ 轴旋转 → 把 $x$ 换成 $\sqrt{x^2+z^2}$。绕 $x$ 轴旋转 → 把 $y$ 换成 $\sqrt{y^2+z^2}$。

【课后题精选】 证明曲面 $\sqrt{x}+\sqrt{y}+\sqrt{z}=\sqrt{a}$ 上任意点的切平面截三个坐标轴的截距之和为 $a$。
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$F=\sqrt{x}+\sqrt{y}+\sqrt{z}-\sqrt{a}$。在 $(x_0,y_0,z_0)$:

$F_x=\frac{1}{2\sqrt{x_0}}$,$F_y=\frac{1}{2\sqrt{y_0}}$,$F_z=\frac{1}{2\sqrt{z_0}}$。

切平面:$\frac{x-x_0}{2\sqrt{x_0}}+\frac{y-y_0}{2\sqrt{y_0}}+\frac{z-z_0}{2\sqrt{z_0}}=0$

令 $y=z=0$:$x$截距 $=x_0+2\sqrt{x_0}(\sqrt{y_0}+\sqrt{z_0})=x_0+2\sqrt{x_0}(\sqrt{a}-\sqrt{x_0})=2\sqrt{ax_0}-x_0$

三个截距之和 $=2\sqrt{a}(\sqrt{x_0}+\sqrt{y_0}+\sqrt{z_0})-(x_0+y_0+z_0)=2a-(x_0+y_0+z_0)$...

需要更仔细地展开。这类证明题的要点是写出切平面方程 → 代特殊值求截距 → 利用曲面方程化简