怎么求空间曲线的切线和法平面
有空间曲线 Γ 的参数方程时
设空间曲线 Γ 的参数方程为: {x=x(t) y=y(t) z=z(t) 其中函数 x(t),y(t),z(t) 均可导。
- 确定切点 当参数 t=t0 时,对应曲线上的点为 M0(x0,y0,z0),其中 x0=x(t0),y0=y(t0),z0=z(t0)。
- 切向量 曲线在点 M0 处的切向量 T 由参数方程对 t 的导数在该点的值构成: T=(x′(t0),y′(t0),z′(t0)) 此向量不能为零向量。
- 切线方程 切线是过点 M0 且以 T 为方向向量的直线,其方程为(对称式): x′(t0)x−x0=y′(t0)y−y0=z′(t0)z−z0
- 法平面方程 法平面是过点 M0 且与切线垂直的平面。因此,切向量 T 就是法平面的法向量。其方程为(点法式): x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0
当空间曲线 Γ 由两个曲面方程联立给出时
{F(x,y,z)=0 G(x,y,z)=0 设 M0(x0,y0,z0) 是曲线上的一点。
- 求切向量 曲线在点 M0 处的切向量 T 垂直于两个曲面在该点的法向量。因此,切向量可以通过两个曲面法向量的叉积求得: T=nF×nG=iFxGxjFyGykFzGzM0 展开后,切向量 T 的分量可以用雅可比行列式表示: T=(∂(y,z)∂(F,G)M0,∂(z,x)∂(F,G)M0,∂(x,y)∂(F,G)M0) 其中,例如 ∂(y,z)∂(F,G)=FyGyFzGz。
- 写出切线与法平面方程 得到切向量 T=(Tx,Ty,Tz) 后,代入情形一的公式即可:
- 切线方程: Txx−x0=Tyy−y0=Tzz−z0
- 法平面方程: Tx(x−x0)+Ty(y−y0)+Tz(z−z0)=0
介于上述两种情形之间的特殊情况
例如曲线方程为: {y=y(x) z=z(x) 这可以看作是以 x 为参数的参数方程。
- 求切向量 将 x 视为参数,则曲线可写为 (x,y(x),z(x))。对 x 求导,得到切向量: T=(1,y′(x0),z′(x0))
- 写出切线与法平面方程 同样,将得到的切向量代入情形一的公式中:
- 切线方程: 1x−x0=y′(x0)y−y0=z′(x0)z−z0
- 法平面方程: 1⋅(x−x0)+y′(x0)(y−y0)+z′(x0)(z−z0)=0
曲面的参数方程形式下对于各个参数求导出的是切向量。
而整个大F下对于三个元素做偏导出的是法向量。