全微分的几何意义
全微分的几何意义
全微分的几何解释
设函数 在点 处可微,则曲面 在点 (其中 )处存在切平面。
全微分 的几何意义是:切平面上点的竖坐标的增量。
当 很小时,,即用切平面的增量近似代替曲面的增量——这就是局部线性化思想。
切平面方程
显式曲面
定理1
设函数 在点 处可微,则曲面 在点 处的切平面方程为:
切平面的法向量为:
几何解释
推论
证明
符号说明
隐式曲面
定理2
设曲面由方程 给出, 是曲面上一点,且 在该点不同时为零,则曲面在 处的切平面方程为:
法向量为:
几何解释
推论
证明
符号说明
法线方程
定理3
曲面在点 处的法线是过 且垂直于切平面的直线。
-
显式曲面 :法线方程为
-
隐式曲面 :法线方程为
几何解释
推论
证明
符号说明
切平面与全微分的关系: 切平面方程 右边正是全微分 。因此,全微分 就是切平面上对应于 的点的竖坐标与 之差。当 接近 时,切平面与曲面非常接近,这就是”以直代曲”的局部线性化思想。
典型例题
例题1:显式曲面的切平面
求曲面 在点 处的切平面方程和法线方程。
参考答案(4 个标签)
切平面法线显式曲面旋转抛物面
详细步骤:
- ,
- 在 处:,
- 切平面方程:,即
- 法线方程:
答案:切平面 ,法线
例题2:隐式曲面的切平面
求球面 在点 处的切平面方程和法线方程。
参考答案(4 个标签)
切平面法线隐式曲面球面
详细步骤:
- 令
- ,,
- 在 处:,,
- 切平面方程:,即
- 法线方程:,即
答案:切平面 ,法线
例题3:证明切平面过定点
证明曲面 ()上任一点处的切平面与三个坐标面围成的四面体体积为常数。
参考答案(4 个标签)
切平面四面体体积隐式曲面证明题
详细步骤:
- 令 ,则 ,,
- 设曲面上任一点 ,满足
- 切平面方程:
- 化简:
- 截距式:
- 在三个坐标轴上的截距分别为
- 四面体体积 (常数)
答案:四面体体积为 ,是常数,与切点位置无关。
练习题
练习1
求曲面 在点 处的切平面方程。
参考答案(3 个标签)
切平面显式曲面双曲抛物面
详细步骤:
- ,
- 在 处:,
- 切平面:,即
答案:切平面方程为
练习2
求椭球面 在点 处的切平面方程。
参考答案(3 个标签)
切平面隐式曲面椭球面
详细步骤:
- 令
- ,,
- 切平面:
- 化简:
答案:切平面方程为
总结
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|---|---|---|
| 法向量 | normal vector | 切平面的法向量 | |
| 切点 | point of tangency | 曲面上的切点 | |
| 梯度 | gradient | 函数 的梯度 | |
| 函数值 | z zero | 切点处的函数值 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 |
|---|---|---|
| 切平面 | tangent plane | /ˈtændʒənt pleɪn/ |
| 法线 | normal line | /ˈnɔːrməl laɪn/ |
| 法向量 | normal vector | /ˈnɔːrməl ˈvɛktər/ |
| 切点 | point of tangency | /pɔɪnt əv ˈtændʒənsi/ |
| 局部线性化 | local linearization | /ˈloʊkəl ˌlɪniəraɪˈzeɪʃən/ |
| 显式曲面 | explicit surface | /ɪkˈsplɪsɪt ˈsɜːrfɪs/ |
| 隐式曲面 | implicit surface | /ɪmˈplɪsɪt ˈsɜːrfɪs/ |
| 四面体 | tetrahedron | /ˌtɛtrəˈhiːdrən/ |
