曲线是球面和平面的交线,即下图中的红色曲线。
本题就是要求出该红色曲线的切线及法平面,下面介绍两种方法,其中第二种更通用。
(1)曲线是球面和平面的交线,容易理解,其切线是球面切平面和平面切平面的交线,或者说其微分是球面微分和平面微分的交线。举例解释下,下图中作出了曲线上的一个红点,
下面就按照上述思路来解题,先求出球面在点的。注意球面并非函数,不过因为点在上半球面,故只需上半球面的函数即可。该上半球面在点的及该的为:
而平面的和自身是重叠的,所以其的。
接着来求曲线在点的切线。根据上面分析可知,曲线的微分是球面微分和平面微分的交线,所以曲线的微分的于和,所以:
也是曲线的切线的,由于切线要过点,令,所以切线的为:
以为且过点的平面,就是曲线在点的法平面,根据,可写出其方程为:
(2)或者,先求出曲线的,据此求出点的导向量,然后就可以得到点的切线了,如下图所示。
其实不需要求出曲线的,可借助直接得到导向量函数,下面是具体的解题过程。令以及,所以曲线可以改写为:
因为有:
根据,所以在点的某一内可以确定一组连续且具有连续导数的函数及,这也可以理解为,曲线在点的某一内的参数方程为,令,所以这也是,其导向量函数为:
下面来求上式中未知的和,对曲线的方程组的两侧分别求的,可得:
根据,当时,有:
所以的导向量函数为:
所以曲线在点的导向量为:
(1)中得出的是上述导向量的倍,两者在一个方向上,所以最终得到的切线以及法平面都是一样的,这里就不再赘述了。