9_6几何中的应用

1、目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩1二、空间曲线的切线与法平面二、空间曲线的切线与法平面 第六节一、一元向量值函数及其导数一、一元向量值函数及其导数 三、曲面的切平面与法线三、曲面的切平面与法线 多元函数微分学的几何应用 第九章 目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩2一、一、一元向量值函数及其导数一元向量值函数及其导数引例引例: 已知空间曲线 的参数方程:,)()()(ttztytx)(),(),()(),(ttttfzyxr记 的向量方程,),(ttfrMrxzyO 对 上的动点M ,即 是此方程确定映射3R, :f,称此映射为一元向量 ，显然OMr r的终点M 的轨迹 , 此

2、轨迹称为向量值函数的终端曲线 .值函数. 要用向量值函数研究曲线的要用向量值函数研究曲线的连续性连续性和和光滑性光滑性，就需要引进向，就需要引进向量值函数的极限、连续和导数的概念量值函数的极限、连续和导数的概念. .目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩3定义定义: 给定数集 D R , 称映射nDfR:为一元向量值函数（简称向量值函数）, 记为Dttfr),(定义域自变量因变量向量值函数的极限、连续和导数都与各分量的极限、连续和导数密切相关,进行讨论.则则设设,),(),(),()(321Dttftftftf 极限极限：连续连续：导数导数：严格定义见P91)(lim),(lim),(li

3、m()(lim3210000tftftftftttttttt )()(lim00tftftt )(),(),()(321tftftftf ttfttftftt)()(lim)(0000 因此下面仅以 n = 3 的情形为代表目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩4向量值函数的导数运算法则向量值函数的导数运算法则: (P92)设vu,是可导向量值函数, )(t是可导函数, 则OCtdd) 1 ()()()2(ddtuctuct)()()()()3(ddtvtutvtut)()()()()()()4(ddtuttuttutt)()()()()()()5(ddtvtutvtutvtut)()()

4、()()()()6(ddtvtutvtutvtutC 是常向量, c 是任一常数,)()()()7(ddtuttut目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩5向量值函数导数的几何意义向量值函数导数的几何意义:在 R3中, 设Dttfr),(的终端曲线为 , 切线的生成点击图中任意点动画开始或暂停MxzyOr)(0tf tr)(),(00ttfONtfOMN)()(00tfttfr)(lim00tftrtt表示终端曲线在t0处的切向量,其指向与t 的增长方向一致.)(0tf , 则0)(0 tf设r目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩6向量值函数导数的物理意义向量值函数导数的物理意义:设

5、)(tfr 表示质点沿光滑曲线运动的位置向量, 则有 )()(tftv)(tva)(tf ).(lim,)(sin)(cos)(4tfktjtittft求例例1. 设速度向量：加速度向量：解：解：ktjtittftttt4444lim)sinlim()coslim()(limkji42222)(4f目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩7例例2. 设空间曲线 的向量方程为 求曲线 上对应于解解:20t)62, 34, 1()(22tttttfrR,ttttf)6442()(的点处的单位切向量.R,t故所求单位切向量为)31,32,32()2()2(ff)2, 4, 4()2( f222)2

6、(44)2( f其方向与 t 的增长方向一致另一与 t 的增长方向相反的单位切向量为)31,32,32(= 6目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩8例例3. 一人悬挂在滑翔机上, 受快速上升气流影响作螺求旋式上升, 其位置向量为),sin3,cos3(2tttr (1) 滑翔机在任意时刻 t 的速度向量与加速度向量;(2) 滑翔机在任意时刻 t 的速率;(3) 滑翔机的加速度与速度正交的时刻.解解: (1)2,sin3,cos3(ttva)2,cos3,3sin()(ttttrv222)2()cos3()sin3()()2(ttttr249t0av(3) 由即, 04sincos9cos

7、sin9ttttt,0t得即仅在开始时刻滑翔机的加速度与速度正交.目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩9二、二、空间曲线的切线与法平面空间曲线的切线与法平面过点 M 与切线垂直的平面称为曲线在该点的法平面法平面.TM置.空间光滑曲线在点 M 处的切线切线为此点处割线的极限位)(),(),()(ttttf：给定光滑曲线 在)(),(),()(ttttf点法式可建立曲线的法平面方程利用时，不同时为，则当0点M (x, y, z) 处的切向量及法平面的法向量均为点向式可建立曲线的切线方程目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩101. 曲线方程为参数方程的情况曲线方程为参数方程的情况,),(

8、, )(, )(ttztytx：因此曲线 在点 M 处的000zzyyxx)(0t)(0t)(0t,),(0000ttzyxM对应上的点设则 在点M 的切向量为)(00 xxt)( )(00yyt0)(00zzt法平面方程法平面方程 )(),(),()(0000ttttfM)(0tf 不全)(),(),(000ttt给定光滑曲线为0, 切线方程切线方程目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩11例例4. 求曲线32,tztytx在点 M (1, 1, 1) 处的切线 方程与法平面方程. ,3,2, 12tztyx解：解：, 10t点(1, 1, 1) 对应于故点M 处的切向量为)3, 2,

9、1 (T因此所求切线方程为 111zyx123法平面方程为) 1( x) 1(2y0) 1(3z即632zyx)()(:xzxy思考思考: 光滑曲线的切向量有何特点?), 1(T答答:)()(:xzxyxx切向量目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩12时，当0),(),(zyGFJ2. 曲线为一般式的情况曲线为一般式的情况光滑曲线0),(0),(:zyxGzyxF)()(xzxy xydd曲线上一点),(000zyxMxyz, 且有 xzdd,),(),(1zxGFJ ,),(),(1xyGFJ 可表示为处的切向量为 MMyxGFJxzGFJ),(),(1,),(),(1,1)(, )(

10、, 100 xxT目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩13 000zzyyxxMzyGF),(),(则在点),(000zyxM切线方程切线方程法平面方程法平面方程有MzyGF),(),(MxzGF),(),(MyxGF),(),()(0 xx MyxGF),(),(MxzGF),(),()(0yy 0)(0 zz或MMMyxGFxzGFzyGFT),(),(,),(),(,),(),(目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩140)()()()()()(000MGMGMGMFMFMFzzyyxxzyxzyx也可表为)(),(),()(),(),(00yyMxzGFxxMzyGF法平面方

11、程法平面方程0)(),(),(0zzMyxGF(自己验证)目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩15例例5. 求曲线0,6222zyxzyx在点M ( 1,2, 1) 处的切线方程与法平面方程. MzyGF),(),(切线方程121zyx解法解法1 令, 6222zyxGzyxF则即0202yzx切向量;0),(),(MxzGFMzy1122Mzy)(2;606xyz66),(),(MyxGF)6,0, 6(T目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩1606222zyxzyx法平面方程0) 1(6)2(0) 1(6zyx即0 zxxxzzxyydddd解法解法2 方程组两边对 x 求导,

12、 得1ddddxzxy1111ddzyxyxz11ddzyxy曲线在点 M(1,2, 1) 处有:切向量解得11zx,zyxzzyyx)1,0, 1 (MMxzxyTdd,dd,1目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩17切线方程121zyx即0202yzx法平面方程0) 1() 1()2(0) 1(1zyx即0 zx点 M (1,2, 1) 处的切向量011)1,0, 1(T目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩180),(:zyxF三、三、曲面的切平面与法线曲面的切平面与法线 设 有光滑曲面通过其上定点),(000zyxM0tt 设对应点 M,)(, )(, )(000ttt切线方

13、程为)()()(000000tzztyytxx不全为0 . 则 在, )(, )(, )(:tztytx且点 M 的切向量切向量为任意引一条光滑曲线下面证明:此平面称为 在该点的切平面切平面. 上过点 M 的任何曲线在该点的切线都在同一平面上. )(, )(, )(000tttTMT目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩19MT证证:在上,)(, )(, )(:tztytx0) )(, )(, )(tttF,0处求导两边在tt ,0Mtt对应点注意 )(0t0),(000zyxFx),(000zyxFy),(000zyxFz)(0t)(0t得)(, )(, )(000tttT),(, ),

14、(, ),(000000000zyxFzyxFzyxFnzyx令nT 切向量由于曲线 的任意性 , 表明这些切线都在以为法向量n的平面上 , 从而切平面存在 .n目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩20)( ),(0000 xxzyxFx曲面 在点 M 的法向量法向量: 法线方程法线方程 000zzyyxx)( ),(0000yyzyxFy0)(,(0000zzzyxFz 切平面方程切平面方程),(000zyxFx),(000zyxFy),(000zyxFz),(, ),(, ),(000000000zyxFzyxFzyxFnzyx 过M点且垂直于切平面的直线 称为曲面 在点 M 的法线

15、法线. MTn目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩21)(,(000 xxyxfx曲面时, ),(yxfz zyxfzyxF),(),(则在点),(zyx故当函数 ),(yxf),(00yx1),(),(0000000zzyxfyyyxfxxyx法线方程法线方程,yyfF 1zF令有在点),(000zyx特别特别, 当光滑曲面 的方程为显式 在点有连续偏导数时, )( ),(000yyyxfy0zz,xxfF 切平面方程切平面方程法向量法向量) 1),(),(0000yxfyxfnyx目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩22,法向量法向量用2211cosyxff将),(, ),(0

16、000yxfyxfyx,yxff法向量的法向量的方向余弦：方向余弦：表示法向量的方向角, 并假定法向量方向.为锐角则分别记为则,1cos,1cos2222yxyyxxffffff向上,) 1, ),(, ),(0000yxfyxfnyx复习 目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩23例例6. 求球面14222zyx在点(1 , 2 , 3) 处的切平面及法线方程. 解解: 令14),(222zyxzyxF所以球面在点 (1 , 2 , 3) 处有:切平面方程切平面方程 ) 1(2x01432 zyx即法线方程法线方程321 zyx)2(4y0)3(6z246法向量)2,2,2(zyxn )

17、6,4,2()3, 2, 1(n即321zyx(可见法线经过原点，即球心)目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩24例例7. 确定正数 使曲面zyx222zyx在点),(000zyxM解解: 二曲面在 M 点的法向量分别为二曲面在点 M 相切, 故000000000zyxyzxxzy0 x202020zyx又点 M 在球面上,32202020azyx故于是有000zyx2a相切.333a与球面, ),(0000001yxzxzyn ),(0002zyxn 21/nn, 因此有20y20z2目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩251. 空间曲线的切线与法平面空间曲线的切线与法平面 切线

18、方程 000zzyyxx法平面方程)(00 xxt1) 参数式情况.)()()(:tztytx空间光滑曲线切向量内容小结内容小结)(0t)(0t)(0t)( )(00yyt0)(00zzt)(, )(, )(000tttT目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩26切线方程法平面方程MMMyxGFzzxzGFyyzyGFxx),(),(),(),(),(),(000空间光滑曲线0),(0),(:zyxGzyxFMzyGF),(),(切向量2) 一般式情况.,),(),(MzyGF,),(),(MxzGFMyxGF),(),()(0 xx MxzGF),(),()(0yy MyxGF),(),

19、(0)(0 zzT目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩27空间光滑曲面0),(:zyxF曲面 在点法线方程法线方程),(0000zyxFxxx),(0000zyxFyyy),(0000zyxFzzz)( ),()( ),(00000000yyzyxFxxzyxFyx1) 隐式情况 .的法向量法向量),(000zyxM0)(,(0000zzzyxFz切平面方程切平面方程2. 曲面的切平面与法线曲面的切平面与法线),(, ),(, ),(000000000zyxFzyxFzyxFnzyx目录 上页 下页 返回 结束 教师：周志轩28空间光滑曲面),(:yxfz )( ),()( ),(0000000yyyxfxxyxfzzyx切平面方程切平面方程法线方程法线方程1),(),(0000000zzyxfyyyxfxxyx,1cos,1cos2222yxyyxxffffff2) 显式情况.法线的方向余弦方向余弦2211cosyxff法向量法向量) 1 ,(yxffn目录 上页 下页 返回 结