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7.3曲面的切平面和法线

#数学#高等数学#偏导数#向量

曲面的切平面与法线(知识点总结)

曲面的三种表示形式

  1. 隐式方程 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0
  2. 显式方程 z=f(x,y)z=f(x,y)
  3. 参数方程 {x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\begin{cases} x=x(u,v)\\ y=y(u,v)\\ z=z(u,v) \end{cases}

隐式曲面 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 的切平面与法线

设曲面 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 在点 M0(x0,y0,z0)M_0(x_0,y_0,z_0) 处可微,且梯度 ∇F(M0)=(Fx,Fy,Fz)∣M0≠0\nabla F(M_0)=(F_x,F_y,F_z)\big|_{M_0}\neq\mathbf{0}。

1. 法向量

n=(Fx(x0,y0,z0), Fy(x0,y0,z0), Fz(x0,y0,z0))n=(F_x(x_0,y_0,z_0),\ F_y(x_0,y_0,z_0),\ F_z(x_0,y_0,z_0))

2. 切平面方程

Fx(x0,y0,z0)(x−x0)+Fy(x0,y0,z0)(y−y0)+Fz(x0,y0,z0)(z−z0)=0F_x(x_0,y_0,z_0)(x-x_0) +F_y(x_0,y_0,z_0)(y-y_0) +F_z(x_0,y_0,z_0)(z-z_0)=0

3. 法线方程

x−x0Fx(x0,y0,z0)=y−y0Fy(x0,y0,z0)=z−z0Fz(x0,y0,z0)\frac{x-x_0}{F_x(x_0,y_0,z_0)} =\frac{y-y_0}{F_y(x_0,y_0,z_0)} =\frac{z-z_0}{F_z(x_0,y_0,z_0)}

显式曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的切平面与法线

可视为隐式曲面 F(x,y,z)=f(x,y)−z=0F(x,y,z)=f(x,y)-z=0。

1. 法向量

n=(fx(x0,y0), fy(x0,y0), −1)n=(f_x(x_0,y_0),\ f_y(x_0,y_0),\ -1)

2. 切平面方程

z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)z-z_0=f_x(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y(x_0,y_0)(y-y_0)

3. 法线方程

x−x0fx(x0,y0)=y−y0fy(x0,y0)=z−z0−1\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}

参数形式曲面的切平面与法线

设曲面向量方程为 r(u,v)=(x(u,v), y(u,v), z(u,v))r(u,v)=(x(u,v),\ y(u,v),\ z(u,v))。 在点 (u0,v0)(u_0,v_0) 处,记两个切向量: ru=(xu,yu,zu),rv=(xv,yv,zv)r_u=(x_u,y_u,z_u),\quad r_v=(x_v,y_v,z_v)

1. 法向量

n=ru×rvn=r_u\times r_v

2. 切平面方程

(r−r0)⋅(ru×rv)=0(r-r_0)\cdot(r_u\times r_v)=0 坐标形式:

∣x−x0y−y0z−z0xuyuzuxvyvzv∣=0\begin{vmatrix} x-x_0 & y-y_0 & z-z_0\\ x_u & y_u & z_u\\ x_v & y_v & z_v \end{vmatrix}=0

3. 法线方程

x−x0∣yuzuyvzv∣=y−y0∣zuxuzvxv∣=z−z0∣xuyuxvyv∣\frac{x-x_0}{ \begin{vmatrix}y_u&z_u\\y_v&z_v\end{vmatrix} } =\frac{y-y_0}{ \begin{vmatrix}z_u&x_u\\z_v&x_v\end{vmatrix} } =\frac{z-z_0}{ \begin{vmatrix}x_u&y_u\\x_v&y_v\end{vmatrix} }

五、重要结论与考点

  1. 切平面存在的条件: F(x,y,z)F(x,y,z) 在 M0M_0 可微,且 ∇F(M0)≠0\nabla F(M_0)\neq 0。
  2. 显式曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的法向量方向: 可取 (fx,fy,−1)(f_x,f_y,-1) 或 (−fx,−fy,1)(-f_x,-f_y,1)。
  3. 两曲面的夹角 两曲面在交点处的夹角等于它们法向量的夹角 θ\theta: cos⁡θ=∣n1⋅n2∣∣n1∣⋅∣n2∣\cos\theta=\frac{|n_1\cdot n_2|}{|n_1|\cdot|n_2|}
  4. 曲面与曲线的关系 若曲线在曲面上,则曲线在该点的切向量 τ\tau 与曲面法向量 nn 垂直: τ⋅n=0\tau\cdot n=0

六、速记对照

隐式 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 法向量:n=(Fx,Fy,Fz)n=(F_x,F_y,F_z) 切平面:Fx(x−x0)+Fy(y−y0)+Fz(z−z0)=0F_x(x-x_0)+F_y(y-y_0)+F_z(z-z_0)=0 法线:x−x0Fx=y−y0Fy=z−z0Fz\dfrac{x-x_0}{F_x}=\dfrac{y-y_0}{F_y}=\dfrac{z-z_0}{F_z}

显式 z=f(x,y)z=f(x,y) 法向量:n=(fx,fy,−1)n=(f_x,f_y,-1) 切平面:z−z0=fx(x−x0)+fy(y−y0)z-z_0=f_x(x-x_0)+f_y(y-y_0) 法线:x−x0fx=y−y0fy=z−z0−1\dfrac{x-x_0}{f_x}=\dfrac{y-y_0}{f_y}=\dfrac{z-z_0}{-1}

书签