MASTERY · MATHEMATICS

8.1 平面·线

3.4k WORDS14 MIN READ#考研数学

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),tI.z=z(t),\begin{cases} x = x(t), \\ y = y(t), & t \in I. \\ z = z(t), \end{cases}

其在点 P0(x0,y0,z0)P_0(x_0, y_0, z_0) 处的切向量为:

τ=(x(t0),y(t0),z(t0)).\boldsymbol{\tau} = (x'(t_0), y'(t_0), z'(t_0)).
  • 切线方程
xx0x(t0)=yy0y(t0)=zz0z(t0).\frac{x - x_0}{x'(t_0)} = \frac{y - y_0}{y'(t_0)} = \frac{z - z_0}{z'(t_0)}.
  • 法平面方程
x(t0)(xx0)+y(t0)(yy0)+z(t0)(zz0)=0.x'(t_0)(x - x_0) + y'(t_0)(y - y_0) + z'(t_0)(z - z_0) = 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.\begin{cases} F(x, y, z) = 0, \\ G(x, y, z) = 0. \end{cases}

当 Jacobi 行列式 (F,G)(y,z)0\frac{\partial(F, G)}{\partial(y, z)} \ne 0{x=x,y=y(x),z=z(x).\Rightarrow \begin{cases} x = x, \\ y = y(x), \\ z = z(x). \end{cases}

其在 P0(x0,y0,z0)P_0(x_0, y_0, z_0) 处的切向量为 τ=(1,y(x0),z(x0))\boldsymbol{\tau} = (1, y'(x_0), z'(x_0))

  • 切线方程
xx01=yy0y(x0)=zz0z(x0).\frac{x - x_0}{1} = \frac{y - y_0}{y'(x_0)} = \frac{z - z_0}{z'(x_0)}.
  • 法平面方程
1(xx0)+y(x0)(yy0)+z(x0)(zz0)=0.1 \cdot (x - x_0) + y'(x_0)(y - y_0) + z'(x_0)(z - z_0) = 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(1cost),  z=costx = \cos t + \sin^2 t, \; y = \sin t(1 - \cos t), \; z = \cos t,在 t=π2t = \frac{\pi}{2} 的对应点;
(2) x=y2,  z=x2x = y^2, \; z = x^2,点 (1,1,1)(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)z = f(x, y) 在点 (0,0)(0, 0) 附近有定义,且 fx(0,0)=3,  fy(0,0)=1f'_x(0, 0) = 3, \; f'_y(0, 0) = 1,则( \quad ).

  • (A) dz(0,0)=3dx+dy\left.\mathrm{d}z\right|_{(0, 0)} = 3\mathrm{d}x + \mathrm{d}y
  • (B) 曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (0,0,f(0,0))(0, 0, f(0, 0)) 处的法向量为 (3,1,1)(3, 1, 1)
  • (C) 曲线 {z=f(x,y),y=0\begin{cases} z = f(x, y), \\ y = 0 \end{cases} 在点 (0,0,f(0,0))(0, 0, f(0, 0)) 处的切向量为 (1,0,3)(1, 0, 3)
  • (D) 曲线 {z=f(x,y),y=0\begin{cases} z = f(x, y), \\ y = 0 \end{cases} 在点 (0,0,f(0,0))(0, 0, f(0, 0)) 处的切向量为 (3,0,1)(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)=0F(x, y, z) = 0

若曲面在点 P0(x0,y0,z0)P_0(x_0, y_0, z_0) 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=(FxP0,  FyP0,  FzP0)\mathbf{n} = \left( \left.F'_x\right|_{P_0}, \; \left.F'_y\right|_{P_0}, \; \left.F'_z\right|_{P_0} \right)
  • 切平面方程(点法式)FxP0(xx0)+FyP0(yy0)+FzP0(zz0)=0\left.F'_x\right|_{P_0}(x - x_0) + \left.F'_y\right|_{P_0}(y - y_0) + \left.F'_z\right|_{P_0}(z - z_0) = 0
  • 法线方程(对称式 / 点向式)xx0FxP0=yy0FyP0=zz0FzP0\frac{x - x_0}{\left.F'_x\right|_{P_0}} = \frac{y - y_0}{\left.F'_y\right|_{P_0}} = \frac{z - z_0}{\left.F'_z\right|_{P_0}}

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.z = f(x, y) \implies f(x, y) - z = 0.

其在点 P0(x0,y0,z0)P_0(x_0, y_0, z_0) 处的法向量为:

n=(fx(x0,y0),fy(x0,y0),1).\mathbf{n} = (f'_x(x_0, y_0), f'_y(x_0, y_0), -1).

注:此法向量方向朝下(指向负 zz 方向)。

  • 切平面方程
fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)(zz0)=0.f'_x(x_0, y_0)(x - x_0) + f'_y(x_0, y_0)(y - y_0) - (z - z_0) = 0.
  • 法线方程(手写批注:线:分母 面:分子):
xx0fx(x0,y0)=yy0fy(x0,y0)=zz01.\frac{x - x_0}{f'_x(x_0, y_0)} = \frac{y - y_0}{f'_y(x_0, y_0)} = \frac{z - z_0}{-1}.

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 exz+eyz=4\mathrm{e}^{\frac{x}{z}} + \mathrm{e}^{\frac{y}{z}} = 4 在点 (ln2,ln2,1)(\ln 2, \ln 2, 1) 处的切平面方程为 \underline{\qquad\qquad}.


例 17.5(证明曲面为柱面)

💡 【思考与设问】 例 17.5

证明曲面 e2xz=f(πy2z)\mathrm{e}^{2x - z} = f(\pi y - \sqrt{2}z) 是柱面,其中 ff 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\GammaxOyxOy 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\Gamma: \begin{cases} F(x, y, z) = 0, \\ G(x, y, z) = 0 \end{cases}

中的 zz 消去,得到投影柱面方程 φ(x,y)=0\varphi(x, y) = 0

则曲线 Γ\GammaxOyxOy 面上的投影曲线包含于曲线:

{φ(x,y)=0,z=0.\begin{cases} \varphi(x, y) = 0, \\ z = 0. \end{cases}

曲线 Γ\Gamma 在其他坐标面(yOzyOz 面、zOxzOx 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

f(u,v)f(u, v) 可微,证明曲面 f(axbz,aycz)=0f(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,ca, 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\Gamma: \begin{cases} z = \sqrt{x^2 + y^2}, \\ z^2 = 2x \end{cases}xOyxOy 面上的投影曲线方程.

Discussion

Comments

Post

Thoughts, corrections, and follow-up notes are welcome here.