切线与法平面

过切点、以切向量为的平面,称为 法平面 (Normal plane),下面来看一道例题。

已知曲线的表达式为,请求出其在点处的切线及法平面。 曲线是球面和平面的交线,即下图中的红色曲线。

红色曲线是球面和平面的交线

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,

  • 球面在红点的切平面为下图中的金色平面
  • 平面在红点的切平面就是自身,即平面在红点的切平面就是
  • 曲线在红点的切线就是上述两个切平面的交线,如下图所示

曲线在红点的切线是球面切平面和平面的交线

下面就按照上述思路来解题,先求出球面点的。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为:

而平面和自身是重叠的,所以其

接着来求曲线点的切线。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,所以:

也是曲线的切线,由于切线要过点,令,所以切线为:

且过点的平面,就是曲线点的法平面,根据,可写出其方程为:

        (2)或者,先求出曲线,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。

曲线点的切线

其实不需要求出曲线,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,这也可以理解为,曲线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,对曲线的方程组的两侧分别求,可得:

根据,当时,有:

所以的导向量函数为:

所以曲线点的导向量为:

(1)中得出的是上述导向量倍,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。

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