§2. Касательная к кривой на плоскости и в пространстве. Угол между кривыми. Нормаль к кривой на плоскости и нормальная плоскость
к кривой в пространстве.
Пусть - гладкая кривая в пространстве . Пусть и М – две произвольные точки кривой.
Определение 2.1. Касательной к кривой в точке называется предел секущей, проходящей через точки и М при стремлении
Более строго, прямая d , проходящая через точку кривой , является касательной к кривой в точке , если
.
Пусть в пространстве задана прямоугольная система координат Оxyz.
Напишем уравнения касательных к кривым при различных способах задания кривых.
1. Пусть r (t) - одна из - гладких параметризаций кривой : Пусть точкам и М соответствуют параметры и t соответственно.
Рассмотрим радиус-векторы , точек и М.
Вектор называется радиус-вектором кривой.
Тогда точки и М имеют координаты и .
Теорема 2.1. -гладкая кривая имеет в каждой точке единственную касательную, направляющий вектор которой есть
, (2.1)
где r (t) - одна из - гладких параметризаций кривой , r .
Следствие 2.1. В условиях теоремы 2.1 касательная к кривой в точке может быть задана параметрическими уравнениями
, где параметр .
Замечание 2.1. Для кривой на плоскости уравнение для координаты z писать не нужно.
2. Пусть кривая плоская и является графиком функции . Пусть точка кривой имеет координаты .
Зададим кривую параметрически: r . Радиус-вектор кривой имеет координаты , направляющий вектор касательной имеет координаты в произвольной точке и - в точке .
Тогда касательная к кривой в точке может быть задана параметрическими уравнениями
, где параметр .
Выразим параметр u из первого уравнения и подставим во второе уравнение. Получим для уравнения касательной известную формулу .
3. Пусть кривая плоская и задана неявно как решение уравнения . Пусть точка кривой имеет координаты , .
Из курса математического анализа известно, что вектор перпендикулярен кривой в любой ее точке. Следовательно, в качестве направляющего вектора касательной в точке можно взять вектор .
Тогда касательная к кривой в точке может быть задана параметрическими уравнениями
, где параметр .
Напомним также, что при выполнении условий теоремы о неявной функции . Далее можно применить последнюю формулу п.2.
4. Пусть кривая в пространстве задана неявно как решение системы уравнений
Напишем уравнение касательной к кривой в точке с координатами , где числа являются решением данной системы уравнений.
Векторы и перпендикулярны соответствующим поверхностям. Найдем их координаты в точке :
В качестве касательного вектора к кривой в точке возьмем векторное произведение . Вычислим его координаты .
Уравнение касательной в параметрической форме:
, где параметр .
Определение 2.2. Углом между двумя кривыми в точке их пересечения называется угол между касательными к данным кривым в этой точке.
Определение 2.3. Нормалью к кривой на плоскости в точке называется прямая, проходящая через точку и перпендикулярная к касательной в точке .
Определение 2.4. Нормальной плоскостью к кривой в пространстве в точке называется плоскость, проходящая через точку и перпендикулярная к касательной в точке .
Напишем уравнения нормалей (для плоских кривых) и нормальных плоскостей (для кривых в пространстве) при различных способах задания кривых.
1. Пусть r (t) - одна из - гладких параметризаций плоской кривой : Пусть точке соответствует параметр .
Напишем уравнение нормали как уравнение прямой, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору :
Рисунок 10.
Пусть r (t) - одна из - гладких параметризаций кривой в пространстве: Пусть точке соответствует параметр .
Напишем уравнение нормальной плоскости как уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору :
2. Пусть кривая плоская и является графиком функции . Пусть точка кривой имеет координаты .
Зададим кривую параметрически: r . В качестве направляющего вектора нормали возьмем вектор В точке его координаты равны
Тогда нормаль к кривой в точке может быть задана параметрическими уравнениями
, где параметр .
Выразив параметр u из второго уравнения и подставив в первое уравнение, получим для уравнения нормали при уравнение .
3. Пусть кривая плоская и задана неявно как решение уравнения . Пусть точка кривой имеет координаты , .
В качестве направляющего вектора нормали в точке возьмем вектор .
Тогда нормаль к кривой в точке может быть задана параметрическими уравнениями
, где параметр .
Рисунок 11.
4. Пусть кривая в пространстве задана неявно как решение системы уравнений
Напишем уравнение нормальной плоскости к кривой в точке как уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору = , где
- Печатается по решению кафедры математического анализа и геометрии
- Содержание
- Предисловие
- Введение
- §1. Понятие кривой, ее гладкость и параметризации
- §2. Касательная к кривой на плоскости и в пространстве. Угол между кривыми. Нормаль к кривой на плоскости и нормальная плоскость
- §3. Сопровождающий трехгранник кривой (трехгранник Френе)
- §4. Длина кривой. Естественная параметризация кривой.
- §5. Формулы Френе. Кривизна и кручение кривой.
- §6.Кинематический смысл кривизны и кручения
- §7. Вычисление кривизны и кручения в произвольной параметризации.
- §8. Задачи с решениями.
- 1. Доказать эквивалентность двух параметризованных кривых
- 3. Кривая в пространстве задана одним из способов: параметрически или в виде пересечения поверхностей. Выяснить расположение кривой в пространстве и по возможности нарисовать ее.
- 4. Кривая на плоскости задана одним из трех способов: параметрически, в виде графика функции или неявно. Написать уравнения касательной и нормали в данной точке.
- 5. Найти угол между кривыми в точке их пересечения:
- 6. Напишите уравнение касательной прямой и нормальной плоскости кривой , заданной параметрически в трехмерном пространстве, при :
- 7. Кривая задана как пересечение двух поверхностей:
- 8. Найти векторы канонического репера кривой
- 9. Кривая задана параметрическими уравнениями
- 10. Найти точки на кривой , в которых бинормаль параллельна плоскости .
- 11. Даны параметрические уравнения кривой на плоскости
- 12. Даны параметрические уравнения двух кривых на плоскости или в пространстве, проходящих через общую точку. Определить порядок касания кривых в этой точке.
- 14. Даны параметрические уравнения кривой на плоскости или в пространстве. Записать кривую через натуральный параметр s. Выяснить длину вектора r’(s) и направление вектора r”(s).
- 16. Даны параметрические уравнения кривой на плоскости или в пространстве. Найти кривизну и кручение кривой, не переходя к натуральному параметру.
- § 9. Задачи для самостоятельного решения.
- § 10. Тестовая работа по дифференциальной геометрии кривых
- Вариант ab.
- § 11. Методические указания по изучению темы дифференциальная геометрия поверхностей в трехмерном пространстве.
- Тема 1. Способы задания поверхностей. Касательная плоскость и нормаль к поверхности.
- Поверхность в пространстве задана одним из трех способов: параметрически, в виде графика функции или неявно. Задать ее другими оставшимися способами.
- Поверхность в пространстве задана одним из трех способов: параметрически, в виде графика функции или неявно. Написать уравнения касательной и нормали в данной точке.
- Тема 2. Касание поверхностей.
- Даны параметрические уравнения поверхности. Найти какую-нибудь поверхность, имеющую с данной поверхностью в данной точке касание 1, 2, 3 порядка.
- Даны параметрические уравнения двух поверхностей, проходящих через общую точку. Определить порядок касания поверхностей в этой точке.
- Тема 3. Первая квадратичная форма поверхности.
- Поверхность задана параметрически. Найти первую квадратичную форму поверхности.
- С помощью первой квадратичной формы найти длину кривой на поверхности, угол между кривыми и площадь области на поверхности.
- Тема 4. Вторая квадратичная форма поверхности. Полная и средняя кривизны поверхности.
- Тема 5. Первая и вторая квадратичные формы поверхности. Гауссова и средняя кривизны поверхности.
- § 12. Содержание курса Дифференциальная геометрия
- 2. Теория кривых в евклидовом пространстве
- 3. Теория поверхностей в евклидовом пространстве
- Литература