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114 隐函数存在定理在几何方面的应用
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§11.4. 隐函数存在定理在几何方面的应用
一、空间曲线的切线与法平面
1. 设空间曲线C的参数方程是
(区间).
它们在区间I可导,且不同时为0).取定,对应曲线C上一点任取改变量,使,对应曲线C上另一点
由空间解析几何知,过曲线C上两点割线方程是
或
当点沿曲线C无限趋近于点时,即,割线的极限位置就是曲线C上点的切线.于是,曲线C上点的切线方程是
切线的方向向量T称为曲线C在点的切向量.
一个平面通过空间曲线C上一点,且与过点的切线垂直,称此平面是空间曲线C在点的法平面.
★说明:切线的切向量就是法平面的法向量.若在法平面上任取一点,则向量与切线的切向量T垂直,即
由向量的内积(向量的数量积)公式,法平面的方程是
或
例1. 求螺旋线处的切线方程与法线方程.
解: 切线方程是
即
法线方程是
2. 设三维欧氏空间的曲线C是由函数方程组,上所确定,即曲线C是这两个曲面的交线.在空间曲线C上任取一个定点,即与.设与对的偏导数在点P的邻域内都连续,且不同时为零,不防设.根据§11.1定理4,在点某邻域,空间曲线C可表为 与 .
于是,空间曲线C可表为以x为参数的参数方程
从而,空间曲线C在点P的切线向量是T,下面求.
由隐函数的求导公式,有
解得 , .
由切线方程的公式,三维欧氏空间曲线C在点的切线方程是
或 . (1)
三维欧氏空间曲线C在点的法平面方程是
. (2)
例2. 求曲线在点的切线方程与法平面方程.
解:
由公式(1)与(2),曲线在点的切线方程与法平面方程分别是
与 或
二、曲面的切平面与法线
1. 设三维欧氏空间曲面S的方程是
(区域)
由§10.3定理3知,若二元函数在点可微,则曲面S上点的切平面方程是
即切平面的法向量是n.于是,法线方程是
2. 设曲面S的方程是
在曲面S上任取一点,即.若三元函数所有的偏导数在点M的邻域连续,且在点M不同时为零.设.根据§11.1定理2,在点的某邻域,曲面S可表为
求曲面S上点的切平面方程.首先求曲面S在点M的法向量
n.由隐函数求导数公式,有
解得
由切平面方程公式,曲面S上点的切平面方程是
或 (3)
曲面S上点的法线方程是
(4)
例3. 求曲面上在点的切平面方程与法线方程.
解:
于是,曲面在点的切平面方程与法线方程分别是
与
或
3. 设曲面S是参数方程
(区域).
取定一点,对应曲面S上一点,即
若上述函数组的所有偏导数在点的邻域都连续,且
不同时为0.不妨设.根据§11.1定理3的推论,函数组在点邻域存在有连续偏导数的反函数组,.将它们代入之中,有
求曲面S上点的切平面方程.首先求曲面S在点M的法向量
n. 由隐函数的求导法则(注意,z是x,y的函数,而x,y又是u,v的函数),有
解得
由切平面方程公式,曲面S在点的切平面方程是
或 (5)
曲面S在点的法线方程是
(6)
例4.
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