8.1 平面·线
总目录 · 笔记整理索引 · 本章索引 · 下一节:8.2 旋转曲面(一定要看!)
8.1.0 知识结构(多元函数积分学的预备知识)
8.1.1 空间曲线的切线与法平面
(1) 用参数方程给出曲线
设空间曲线由参数方程给出:
⎩⎨⎧x=x(t),y=y(t),z=z(t),t∈I.
其在点 P0(x0,y0,z0) 处的切向量为:
τ=(x′(t0),y′(t0),z′(t0)).
x′(t0)x−x0=y′(t0)y−y0=z′(t0)z−z0.
x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0.
(2) 用方程组给出曲线
设空间曲线由两曲面相交方程组给出:
{F(x,y,z)=0,G(x,y,z)=0.
当 Jacobi 行列式 ∂(y,z)∂(F,G)=0 时 ⇒⎩⎨⎧x=x,y=y(x),z=z(x).
其在 P0(x0,y0,z0) 处的切向量为 τ=(1,y′(x0),z′(x0))。
1x−x0=y′(x0)y−y0=z′(x0)z−z0.
1⋅(x−x0)+y′(x0)(y−y0)+z′(x0)(z−z0)=0.
例题精讲(曲线切线与法平面)
例 17.1(求空间曲线在指定点处的切线与法平面)
💡 【思考与设问】 例 17.1
求下列曲线在指定点处的切线与法平面.
(1) x=cost+sin2t,y=sint(1−cost),z=cost,在 t=2π 的对应点;
(2) x=y2,z=x2,点 (1,1,1)。
例 17.2(偏导数存在、可微性与切平面/法向量辨析)
💡 【思考与设问】 例 17.2
设函数 z=f(x,y) 在点 (0,0) 附近有定义,且 fx′(0,0)=3,fy′(0,0)=1,则( ).
- (A) dz∣(0,0)=3dx+dy
- (B) 曲面 z=f(x,y) 在点 (0,0,f(0,0)) 处的法向量为 (3,1,1)
- (C) 曲线 {z=f(x,y),y=0 在点 (0,0,f(0,0)) 处的切向量为 (1,0,3)
- (D) 曲线 {z=f(x,y),y=0 在点 (0,0,f(0,0)) 处的切向量为 (3,0,1)
8.1.2 空间曲面的切平面与法线
1. 核心公式与概念
设空间曲面由隐式方程给出:
F(x,y,z)=0
若曲面在点 P0(x0,y0,z0) 处可微且偏导数不同时为零,则:
- 法向量(垂直于曲面的向量):
n=(Fx′∣P0,Fy′P0,Fz′∣P0)
- 切平面方程(点法式):
Fx′∣P0(x−x0)+Fy′P0(y−y0)+Fz′∣P0(z−z0)=0
- 法线方程(对称式 / 点向式):
Fx′∣P0x−x0=Fy′P0y−y0=Fz′∣P0z−z0
2. 本质理解:为什么偏导数就是法向量?
3. 考场避坑与记忆口诀
(2) 用显式函数给出曲面
设空间曲面由显式函数给出:
z=f(x,y)⟹f(x,y)−z=0.
其在点 P0(x0,y0,z0) 处的法向量为:
n=(fx′(x0,y0),fy′(x0,y0),−1).
注:此法向量方向朝下(指向负 z 方向)。
fx′(x0,y0)(x−x0)+fy′(x0,y0)(y−y0)−(z−z0)=0.
fx′(x0,y0)x−x0=fy′(x0,y0)y−y0=−1z−z0.
例题精讲(曲面切平面与法线)
例 17.3(隐式方程曲面的切平面方程)
💡 【思考与设问】 例 17.3
曲面 ezx+ezy=4 在点 (ln2,ln2,1) 处的切平面方程为 .
例 17.5(证明曲面为柱面)
💡 【思考与设问】 例 17.5
证明曲面 e2x−z=f(πy−2z) 是柱面,其中 f 可微.
8.1.3 空间曲线在坐标面上的投影
投影曲线的一般求法
以求空间曲线 Γ 在 xOy 面上的投影曲线为例:
将曲线方程组
Γ:{F(x,y,z)=0,G(x,y,z)=0
中的 z 消去,得到投影柱面方程 φ(x,y)=0。
则曲线 Γ 在 xOy 面上的投影曲线包含于曲线:
{φ(x,y)=0,z=0.
曲线 Γ 在其他坐标面(yOz 面、zOx 面)上的投影曲线可类似求得。
例题精讲(曲线在坐标面上的投影)
例 17.4(曲面切平面平行于定直线的证明)
💡 【思考与设问】 例 17.4
设 f(u,v) 可微,证明曲面 f(ax−bz,ay−cz)=0 上任一点的切平面都与某一直线平行,其中 a,b,c 是不同时为零的常数.
例 17.6(空间曲线在坐标面上的投影曲线方程)
💡 【思考与设问】 例 17.6
求曲线 Γ:{z=x2+y2,z2=2x 在 xOy 面上的投影曲线方程.
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