1.曲线的参数方程#
球面的参数方程 设P(x,y,z)为球面一点,他在xOy平面内的投影为M(x,y,0)
则
z=±∣∣PM∣∣=∣∣OP∣∣cosφ,x=∣∣OM∣∣cosθ,y=∣∣OM∣∣sinθ,∣∣OM∣∣=∣∣OP∣∣sinφ
所以
z=Rcosφ,x=Rsinφcosθ,y=Rsinφsinθ
其中 0≤φ≤π,0≤θ≤2π
一般地,曲面S的参数方程
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)∈△,r:△⊂R2→R3
3.曲面的切平面与法线#
设曲面S的参数方程为
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)∈△,r:△⊂R2→R3
其中r(u,v)在△上连续,在点(u0,v0)∈△处可微,过曲面S上任意一点r0=r(u0,v0)的任意光滑曲线Γ的参数方程为
r(t)=r(u(t),v(t)),t∈I
其中u(t0)=u0,v(t0)=v0在上式中对t求导得
r′(t0)=ru(u0,v0)u′(t0)+rv(u0,v0)v′(t0)
右端是切向量ru(u0,v0)与rv(u0,v0)的线性组合
若ru×rv∣u0,v0=0,说明ru(u0,v0)与rv(u0,v0)不共线
从而可张成一个平面Π,称之为曲面S在正则点r0的切平面
他的法向量为
ru×rv=ixuxvjyzyvkzuzv=(A,B,C)其中
A=∂(u,v)∂(y,z)∣(u0,v0),B=∂(uz,x)∂(y,z)∣(u0,v0),C=∂(u,v)∂(x,y)∣(u0,v0)
法平面方程为
A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0
法线方程为
Ax−x0=By−y0=Cz−z0
若ru−(xu,yu,xu),rv=(xv,yv,zv)在△内连续,则称曲线S为光滑曲线
对曲面F(x,y,z)=0,设在点P0(x0,y0,z0)处满足一函数定理中的条件,Fz(P0)=0
隐函数z=z(z,y)
曲面S:r(x,y)=(x,y,z(x,y))
rx=(1,0,zx)=(1,0,−FzFx),ry=(0,1,zy)=(0,1,−FzFy)
rx×ry=i10j01k−FzFx−FzFy=(FzFx,FzFy,1)法向量n=(Fx,Fy,Fz)=∇F
切平面的方程
Fx(P0)(x−x0)+Fy(P0)(y−y0)+Fz(P0)(z−z0)=0
法线方程
Fx(P0)x−x0=Fy(P0)y−y0=Fz(P0)z−z0
例6.8#
求曲面x=ucosv,y=usinv,z=av在u=2,v=4π处的切平面与法线方程
解:
r=(ucosv,usinv,av)
ru=(cosv,sinv,0)→ru=(21,21,0)
rv=(−usinv,ucosv,a)→rv=(−1,1,a)
ru×rv∣(2,4π)=i21−1j211k0a=21(a,−a,2)取法向量n=(a,−a,2)
切平面
a(x−1)−a(y−1)+2(z−4πa)=0
ax−ay+2z=2πa
Ex.1 环面的参数方程:#
考虑yOz平面上的圆周C:(y−a)2+z2=b2,其中a>b>0
改曲线绕z轴一周形成环面.求曲面方程