平面曲线的切线与法线

关于平面曲线的切线与法线一、平面曲线的切线与法线曲线L：条件：上一点,近旁,F满足隐函数定理条件,可确定可微的隐函数:处的切线：第2页,共40页，2024年2月25日，星期天总之,当例1求笛卡儿叶形线在点

处的切线与法线.解设由§1例2

的讨论近旁满足隐函数定理第3页,共40页，2024年2月25日，星期天的条件.容易算出于是所求的切线与法线分别为例2用数学软件画出曲线的图象；并求该曲线在点处的切线与法线.

第4页,共40页，2024年2月25日，星期天解在MATLAB指令窗内执行如下绘图指令:

symsx,y;ezplot(x^2+y-sin(x*y),[-4,4],[-8,1]);

就立即得到曲线L的图象(见本例末页).令容易求出:第5页,共40页，2024年2月25日，星期天由此得到L在点处的切线与法线分别为：若在上面的MATLAB指令窗里继续输入如下指令,便可画出上述切线与法线的图象(如图).

holdon;

a=(pi)^(1/3);b=a^2;ezplot((2*a-b)*(x-a)+(1+a)*(y+b));ezplot((1+a)*(x-a)-(2*a-b)*(y+b))

第6页,共40页，2024年2月25日，星期天第7页,共40页，2024年2月25日，星期天例3设一般二次曲线为试证L

在点处的切线方程为证第8页,共40页，2024年2月25日，星期天由此得到所求切线为利用满足曲线L的方程,即整理后便得到第9页,共40页，2024年2月25日，星期天二、空间曲线的切线与法平面先从参数方程表示的曲线开始讨论.在第五章§3已学过,对于平面曲线若是其上一点,则曲线在点处的切线为下面讨论空间曲线.第10页,共40页，2024年2月25日，星期天(A)用参数方程表示的空间曲线:

类似于平面曲线的情形,不难求得处的切线为过点且垂直于切线的平面,称为曲线L在点处的法平面.第11页,共40页，2024年2月25日，星期天因为切线的方向向量即为法平面的法向量,所以法平面的方程为(B)用直角坐标方程表示的空间曲线：

设近旁具有连续的一阶偏导数,且第12页,共40页，2024年2月25日，星期天不妨设于是存在隐函数组这也就是曲线L以z作为参数的一个参数方程.根据公式(2),所求切线方程为第13页,共40页，2024年2月25日，星期天应用隐函数组求导公式,有于是最后求得切线方程为相应于(3)式的法平面方程则为第14页,共40页，2024年2月25日，星期天例4求空间曲线在点处的切线和法平面.解容易求得故切向向量为由此得到切线方程和法平面方程分别为第15页,共40页，2024年2月25日，星期天

symst;x=t-sin(t);y=1-cos(t);z=4*sin(t/2);

ezplot3(x,y,z,[-2*pi,2*pi])

绘制上述空间曲线的程序与所得图形如下:第16页,共40页，2024年2月25日，星期天第17页,共40页，2024年2月25日，星期天例5求曲线在点处的切线与法平面.解曲线L

是一球面与一圆锥面的交线.令根据公式(5)与(6),需先求出切向向量.为此计算F,G

在点处的雅可比矩阵:第18页,共40页，2024年2月25日，星期天由此得到所需的雅可比行列式:第19页,共40页，2024年2月25日，星期天故切向向量为据此求得第20页,共40页，2024年2月25日，星期天

三、曲面的切平面与法线以前知道,当f

为可微函数时,曲面z=f(x,y)在点处的切平面为现在的新问题是:曲面由方程给出.若点近旁具有连续的一阶偏导数,而且第21页,共40页，2024年2月25日，星期天不妨设则由方程(7)在点近旁惟一地确定了连续可微的隐函数因为所以在处的切平面为又因(8)式中非零元素的不指定性,故切平面方程第22页,共40页，2024年2月25日，星期天一般应写成随之又得到所求的法线方程为回顾1现在知道,函数在点P的梯度其实就是等值面在点P

的法向量:第23页,共40页，2024年2月25日，星期天回顾2若把用方程组(4)表示的空间曲线L看作曲面的交线,则L在

点的切线与此二曲面在的法线都相垂直.而这两条法线的方向向量分别是第24页,共40页，2024年2月25日，星期天故曲线(4)的切向向量可取的向量积:这比前面导出(5),(6)两式的过程更为直观,也容易记得住.第25页,共40页，2024年2月25日，星期天例6

求旋转抛物面在点解令则曲面的法向量为处的切平面和法线.从而由(9),(10)分别得到切平面为法线为第26页,共40页，2024年2月25日，星期天()例7证明:曲面的任一切平面都过某个定点(这里f是连续可微函数).()证令则有第27页,共40页，2024年2月25日，星期天()于是曲面在其上任一点处的法向量可取为由此得到切平面方程:将点代入上式,得一恒等式:第28页,共40页，2024年2月25日，星期天这说明点恒在任一切平面上.第29页,共40页，2024年2月25日，星期天四、用参数方程表示的曲面曲面也可以用如下双参数方程来表示:这种曲面可看作由一族曲线所构成:每给定v的一个值,(11)就表示一条以u为参数的曲线;当v取某个区间上的一切值时,这许多曲线的集合构成了一个曲面.现在要来求出这种曲面的切平面和法线的方程.为此假设且第30页,共40页，2024年2月25日，星期天(11)式中三个函数在近旁都存在连续的一阶偏导数.因为在处的法线必垂直于上过的任意两条曲线在的切线,所以只需在上取两条特殊的曲线(

见图

):它们的切向量分别为第31页,共40页，2024年2月25日，星期天则所求的法向量为至此,不难写出切平面方程和法线方程分别为

第32页,共40页，2024年2月25日，星期天解先计算在点处的法向例8设曲面的参数方程为试对此曲面的切平面作出讨论.量:第33页,共40页，2024年2月25日，星期天由此看到,当时说明在曲面(12)而当时,法向量可取上存在着一条曲线,其方程为在此曲线上各点处,曲面不存在切平面,我们称这种曲线为该曲面上的一条奇线.

与之对应的切平面则为第34页,共40页，2024年2月25日，星期天法线则为当动点趋于奇线(13)上的点时,法向量存在极限:第35页,共40页，2024年2月25日，星期天此点处不存在法此时切平面存在极限位置:有时需要用此“极限切平面”来补充定义奇线上的切平面.注曲面上的孤立奇点往往是曲面的尖点,如圆锥面的顶点在线和切平面.而