多元函数微分学的几何应用讲稿.ppt

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1、目录 上页 下页 返回 结束 关于多元函数微分学的几何应用第一页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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连续性连续性和光滑性光滑性，就需要引进向量值函数的极限、连续和导数的概念.第二页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回

2、 结束 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.则设,),(),(),()(312Dttftftftf极限极限：连续连续：导数导数：)(lim),(lim),(lim()(lim3210000tftftftftttttttt)()(lim00tftftt)(),(),()(321tftftftfttfttftftt)()(lim)(0000因此下面仅以 n=3 的情形为代表第三页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 向量值函数导数的

3、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第四页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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)(tfr 表示质点沿光滑曲线运动的位置向量,则有)()(tftv)(tva)(tf 速度向量：加速度向量：第五页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 例例2.设空间

4、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(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第六页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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

5、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第七页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 1.曲线方程为参数方程的情况曲线方程为参数方程的情况,),(,)(,)(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

6、为0,切线方程切线方程第八页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 例例3.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)3,2,1(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第九页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束)()(:xzxy(2)光滑曲线的方程为),1(T)()(:xzxyxx切向量看成参数，得到看成参数，得到将将x)(0 xx )()(00yyx 0)(00 zzx 法平面方程法平面方程 切线方程切

7、线方程000zzyyxx1)(0 x )(0 x 第十页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 平平行行的的上上与与平平面面例例：求求曲曲线线42,32 zyxxzxy切线方程。切线方程。解解：),1(xxzyT 切切线线的的方方向向向向量量)3,2,1(2xx 且且平平面面的的法法向向量量因因为为切切线线与与平平面面平平行行，)1,2,1(n0 nT所以，所以，01322112 xx即即01432 xx即即1,3121 xx解得，解得，)271,91,31(311 时时，切切点点为为当当x3127219113 zyx切切线线方方程程为为)1,1,1(11 时，切点为时，切点为当当x3

8、12111 zyx切线方程为切线方程为第十一页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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曲线上一点),(000zyxM 可表示为处的切向量为)(,)(,100 xxT)(0 xx )()(00yyx 0)(00 zzx 法平面方程法平面方程 切线方程切线方程000zzyyxx1)(0 x )(0 x 第十二页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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.06222zyxzyxx

9、xzzxyydddd解法解法2 方程组两边对 x 求导,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第十三页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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第十四页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 0),(: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

10、设对应点 M,)(,)(,)(000ttt切线方程为)()()(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第十五页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 MT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)(,)(,)(000

11、tttT),(,),(,),(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第十六页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束)(),(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

12、的法线法线.MTn第十七页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束)(,(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第十八页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束,法向量法向量用2211cosyxff将),(,)

13、,(0000yxfyxfyx,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 第十九页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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(2x01432zyx即法线方程法线方程321zyx)2(4y0)3(6z123法向量)2,2,2(zyxn)6,4,2()3,2,1(n即

14、321zyx(可见法线经过原点，即球心)第二十页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 7例。）的切平面及法线方程）的切平面及法线方程，在点（在点（求曲面求曲面0123 xyzez3),(xyzezyxFz所以曲面在点(2,1,0)处有:切平面方程切平面方程)2(1 x042 yx即法线方程法线方程 02112zyx)1(2 y0)0(0 z法向量)1,(zexyn)0,2,1()0,1,2(n解解:令第二十一页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 例例8.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0

15、00000000zyxyzxxzy0 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第二十二页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 1.空间曲线的切线与法平面空间曲线的切线与法平面 切线方程 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第二十三页，讲稿共二十九页哦目录 上

16、页 下页 返回 结束)()(:xzxy(2)光滑曲线的方程为),1(T)()(:xzxyxx切向量看成参数，得到看成参数，得到将将x)(0 xx )()(00yyx 0)(00 zzx 法平面方程法平面方程 切线方程切线方程000zzyyxx1)(0 x )(0 x 第二十四页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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曲线上一点),(000zyxM 可表示为处的切向量为)(,)(,100 xxT)(0 xx )()(00yyx 0)(00 zzx 法平面方程法平

17、面方程 切线方程切线方程000zzyyxx1)(0 x )(0 x 第二十五页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 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 曲面的切平面与法线曲面的切平面与法线),(,),(,),(000000000zyxFzyxFzyxFnzyx第二十六页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 空

18、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第二十七页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习1.如果平面01633zyx与椭球面相切,提示提示:设切点为,),(000zyxM则223yx.求000226zyx3301633000zyx163202020zyx2162 z(二法向量平行)(切点在平面上)(切点在椭球面上)第二十八页，讲稿共二十九页哦目录 上页 下页 返回 结束 感谢大家观看感谢大家观看第二十九页，讲稿共二十九页哦