2.10 多元函数微分的一些几何应用

高等数学 A2



周维祺

曲线的切线和法平面

一元向量值函数导数的物理意义

  • 将参数方程f:t↦(x(t),y(t),z(t))f:t\mapsto\left(x(t),y(t),z(t)\right) 视作质点运动的轨迹

  • f′(t)=(x′(t),y′(t),z′(t))f'(t)=\left(x'(t),y'(t),z'(t)\right)即定义为tt时刻的瞬时线速度

  • f′(t)f'(t)的方向即ff在tt时刻变化的方向, x′(t),y′(t),z′(t)x'(t),y'(t),z'(t)即在三个坐标轴方向上各自的瞬时速度(ff的变化率)

  • 同理,f′′(t)f''(t)即定义为加速度

切线方向和方程

  • 给定曲线f:t↦(x(t),y(t),z(t))f:t\mapsto\left(x(t),y(t),z(t)\right)

  • 设x0=x(t0)x_0=x(t_0),y0=y(t0)y_0=y(t_0),z0=z(t0)z_0=z(t_0)

  • 则(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0)处切线的方向为(x′(t0),y′(t0),z′(t0))(x'(t_0),y'(t_0),z'(t_0))

  • 切线方程: (x−x0,y−y0,z−z0)=k(x′(t0),y′(t0),z′(t0))(x-x_0,y-y_0,z-z_0)=k(x'(t_0),y'(t_0),z'(t_0))

法平面方程

  • 给定曲线f:t↦(x(t),y(t),z(t))f:t\mapsto\left(x(t),y(t),z(t)\right)

  • 设x0=x(t0)x_0=x(t_0),y0=y(t0)y_0=y(t_0),z0=z(t0)z_0=z(t_0)

  • 过(x0,y0,z0(x_0,y_0,z_0)且与该处切线垂直的平面称为该点处的法平面

  • 方程: x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0x'(t_0)(x-x_0)+y'(t_0)(y-y_0)+z'(t_0)(z-z_0)=0

标准方程下求切线和法平面

  • 设曲线以曲面交线形式给出:{F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0\begin{cases}F(x,y,z)=0 \\ G(x,y,z)=0\end{cases},F,GF,G的各偏导数存在且连续

  • 设上式能确定为以下三种情况中至少的一种的隐函数
    (1) y=φ(x),z=ψ(x)y=\varphi(x), z=\psi(x) (不妨设为此种情况)
    (2) z=φ(y),z=ψ(y)z=\varphi(y), z=\psi(y)
    (3) x=φ(z),y=ψ(z)x=\varphi(z), y=\psi(z)

标准方程下求切线和法平面

  • 用链式法则对xx求导:{Fx+Fyφ′+Fzψ′=0Gx+Gyφ′+Gzψ′=0\begin{cases}F_x+F_y\varphi'+F_z\psi'=0 \\ G_x+G_y\varphi'+G_z\psi'=0\end{cases}

  • 解出φ′\varphi', ψ′\psi',则切线方向即(1,φ′,ψ′)(1,\varphi',\psi')

  • 策略:即视作以xx为参数方程(x,φ(x),ψ(x))(x,\varphi(x),\psi(x))的隐函数

练习

用上述方法求曲线 {x2+y2+z2=2z=1\begin{cases}x^2+y^2+z^2=2 \\ z=1 \end{cases}在(0,1,1)(0,1,1)处的切线和法平面

解答

  • 视作以xx为参数方程(x,φ(x),ψ(x))(x,\varphi(x),\psi(x))的隐函数

  • 用链式法则对xx求导:{2x+2yφ′+2zψ′=00+0+ψ′=0\begin{cases}2x+2y\varphi'+2z\psi'=0 \\ 0+0+\psi'=0\end{cases}

  • 解得 {φ′=−x/yψ′=0\begin{cases}\varphi'=-x/y \\ \psi'=0\end{cases}

解答

  • 解得 {φ′=−x/yψ′=0\begin{cases}\varphi'=-x/y \\ \psi'=0\end{cases}

  • φ′(0,1,1)=ψ′(0,1,1)=0\varphi'(0,1,1)=\psi'(0,1,1)=0,故切线方向为(1,0,0)(1,0,0)

  • 切线:(x,y−1,z−1)=t(1,0,0)(x,y-1,z-1)=t(1,0,0); 法平面:x=0x=0

曲面的切面和法线

切平面的存在性和定义

  • 设有曲面S:F(x,y,z)=0S: F(x,y,z)=0, FF的偏导数存在且连续

  • 设在点P:(x0,y0,z0)P:(x_0,y_0,z_0)处,FF的各偏导数不同时为00

  • 设曲线Γ:t↦(f(t),g(t),h(t))\Gamma: t\mapsto\left(f(t),g(t),h(t)\right)在曲面SS上

  • 设Γ\Gamma在t0t_0处过点PP: (x0,y0,z0)=(f(t0),g(t0),h(t0))(x_0,y_0,z_0)=\left(f(t_0),g(t_0),h(t_0)\right)

切平面的存在性和定义

  • Γ\Gamma在SS上: F(f(t),g(t),h(t))=0F(f(t),g(t),h(t))=0

  • 对tt求导:Fxf′+Fyg′+Fzh′=0F_xf'+F_yg'+F_zh'=0

  • 记v⃗=(f′(t0),g′(t0),h′(t0))\vec v=(f'(t_0),g'(t_0),h'(t_0))为Γ\Gamma在t0t_0处的切线方向

  • 则有∇F⋅v⃗=0\nabla F\cdot \vec v=0

以上曲线在PP处的切线都⊥∇F(P)\perp\nabla F(P)

这些切线都在同一个平面上⇒\Rightarrow PP处的切平面

曲面方程F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0中的FF可微

练习

求球面x2+y2+z2=3x^2+y^2+z^2=3上平行于平面x+y+z=6x+y+z=6的切平面方程

小结

  • 一元向量值函数导数的物理意义

  • 空间曲线的切线与法平面以及在标准方程下的求解

  • 空间曲面的切平面与法线