张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
rui [at] ustc [dot] edu [dot] cn |
定义 1.
映射
完全刻画了质点的运动轨迹。常写成向径式
或
称为空间曲线的参数方程
根据向量函数运算规则,可以得到
若表示质点的位移(向量),
为中的区域,定义在上的一个二元向量值函数
确定了空间中的一个曲面,称为曲面的向径式方程。
它等价于曲面的参数方程
例 1. 球面方程
当固定时,得到纬线;当固定时,得到经线。
固定一个值,让变化,则在曲面上画出一条曲线,称为u曲线。 同样有v曲线。
若,即, , 均为上的函数,为曲面上的一点
任取曲面上过 点的光滑曲线,则
的原像为平面区域中,过的一条曲线。设这条曲线有参数方程
其中, 。
则具有参数方程
在处的切向量为
这个表明,曲面上过的任何一条曲线的切向量为与的线性组合。
因此切向量在与张成的平面上。
定义 2.
曲面过, 由与张成的平面,
称为曲面在处的切平面
它的法向量是 |
定义 3.
若曲面的参数方程中, , 均为上的函数,
且中处处有,称曲面为光滑曲面。
由二元函数
表达的曲面通常称为显式曲面。
显式曲面可以写成参数方程
则
可以得到切平面的法向量
若在处可微,则微分为
且时,有
设,。给变量,一个小的增量,
则映射的像为曲边四边形。 为圆弧的近似。 为圆弧的近似。
函数的增量与微分分别为
则可得到
这样,曲边四边形可以用切平面的平行四边形来近似,而后者的面积为
这就是面积微元
所以有
根据隐函数存在定理,在附近确定了一个连续可微的二元函数 ( 或 或), 从而在附近给出了一张曲面。
定义 4.
把由方程
所确定的曲面称为隐式曲面
设曲线为曲面上过的任一条光滑曲线,
隐式曲面在点处的法向量为
同样,显式曲面可以写成隐式
则它的法向量为,与前面得到的一致。
例 2. (例6.6.2) 求球面在点处的法向量。
解. 由隐式方程的法向量公式,有
时,写成显式,则有
将球面写成参数方程
则有
需要
直接从几何上看,切平面与半径垂直,则就是法向量
空间中的曲线可以表示为两个空间中的曲面的交线,
若为曲线上的点,则曲线在点处的切线与两个曲面在的切平面的法向量都垂直,
例 3. 如下的两个平面正交
例 4. 求曲线在点处的切线与法平面
例 5. 证明:曲面上任一点的切平面与三个坐标面构成的四面体的体积是一个常数
例3.
例 6. 证明曲面与正交
例 7. 证明曲面的所有切平面都通过一个定点。
例 8. 证明曲面 的所有切平面与一直线平行
例 9. 本节读完
例9.
例 10. 证明曲面与曲面正交
例 11. 证明曲面
的所有切平面通过一个定点
例 12. 证明曲面
的所有切平面与一直线平行
例 13. 求椭圆
的长半轴与短半轴