Функции многих переменных. - 14 стр.

UptoLike

Рубрика: 

14 ФУНКЦИИ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ
где a = (x
0
, y
0
, z
0
) рассматриваемая точка поверхности и λ, µ R. Те же уравнения можно
записать в виде
x x
0
y y
0
z z
0
ϕ(a)
u
ψ(a)
u
χ(a)
u
ϕ(a)
v
ψ(a)
v
χ(a)
v
= 0, (37)
или
ψ(a)
u
χ(a)
v
χ(a)
u
ψ(a)
v
(x x
0
)
ϕ(a)
u
χ(a)
v
χ(a)
u
ϕ(a)
v
(y y
0
)+
+
ϕ(a)
u
ψ(a)
v
ψ(a)
u
ϕ(a)
v
(z z
0
). (38)
Если поверхность задана уравнением (31), то касательная плоскость определяется уравнением
F (a)
x
(x x
0
) +
F (a)
y
(y y
0
) +
F (a)
z
(z z
0
) = 0. (39)
Прямая, перпендикулярная касательной плоскости и проходящая через точку касанаия, на-
зывается нормалью к поверхности в данной точке. Параметрические уравнения нормали имеют
вид
x =
ψ(a)
u
χ(a)
v
χ(a)
u
ψ(a)
v
λ + x
0
,
y =
ϕ(a)
u
χ(a)
v
χ(a)
u
ϕ(a)
v
λ + y
0
,
z =
ϕ(a)
u
ψ(a)
v
ψ(a)
u
ϕ(a)
v
λ + z
0
,
(40)
λ R, или
x =
F (a)
x
λ + x
0
, x =
F (a)
y
λ + y
0
, x =
F (a)
z
λ + z
0
. (41)
Пример 19. Если S сфера, заданная уравнением (32), то
x
0
x + y
0
y + z
0
z = R
2
у равнение касательной плоскости, а
x = x
0
(2λ + 1), y = y
0
(2λ + 1), z = x
0
(2λ + 1)
у равнение нормали, проходящих через точку (x
0
, y
0
, z
0
) S.
Сечения и линии уровня. Пусть поверхность S задана параметрическими уравнениями (34)
и
u = u(t), v = v(t), t [t
0
, t
1
],
кривая в плоскости параметров (u, v). Тогда в пространстве R
3
возникает кривая
x = ϕ(u(t), v(t)) = x(t), y = ψ(u(t), v(t)) = y(t), z = χ(u(t), v(t)) = z(t),
целиком лежащая на поверхности S.
Частным случаем таких кривых являются сечения. Пусть a S точка рассматриваемой
поверхности, в некоторой окрестности которой матрица
2
x
u
2
2
x
u∂v
2
x
v
2
2
y
u
2
2
y
u∂v
2
y
v
2
2
z
u
2
2
z
u∂v
2
z
v
2
отлична от нулевой, и P плоскость, проходящая через эту точку. Тогда пересечение SP являет-
ся плоской кривой, которая называется сечением поверхности S плоскостью P . Если поверхность
задана уравнением z = f (x, y), то её сечения плоскостями z = c, где c число, называются
линиями уровня.
Пример 20. Любое сечение сферы это окружность.
14                                  ФУНКЦИИ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ

где a = (x0 , y0 , z0 ) — рассматриваемая точка поверхности и λ, µ ∈ R. Те же уравнения можно
записать в виде
                                      x − x0 y − y0 z − z0
                                       ∂ϕ(a)  ∂ψ(a)  ∂χ(a)
                                        ∂u     ∂u     ∂u   = 0,                           (37)
                                         ∂ϕ(a)         ∂ψ(a)    ∂χ(a)
                                          ∂v            ∂v       ∂v
или
   ∂ψ(a) ∂χ(a)  ∂χ(a) ∂ψ(a)               ∂ϕ(a) ∂χ(a) ∂χ(a) ∂ϕ(a) 
                  −            (x − x0 ) −                −           (y − y0 )+
    ∂u    ∂v      ∂u    ∂v                    ∂u    ∂v       ∂u    ∂v
                                                        ∂ϕ(a) ∂ψ(a) ∂ψ(a) ∂ϕ(a) 
                                                    +               −             (z − z0 ). (38)
                                                          ∂u    ∂v     ∂u    ∂v
Если поверхность задана уравнением (31), то касательная плоскость определяется уравнением
                    ∂F (a)              ∂F (a)               ∂F (a)
                           (x − x0 ) +          (y − y0 ) +         (z − z0 ) = 0.  (39)
                      ∂x                  ∂y                   ∂z
  Прямая, перпендикулярная касательной плоскости и проходящая через точку касанаия, на-
зывается нормалью к поверхности в данной точке. Параметрические уравнения нормали имеют
вид                                                          
                                    ∂ψ(a) ∂χ(a)    ∂χ(a) ∂ψ(a)
                            x =                 −         ∂v  λ + x0 ,
                                  ∂u ∂v            ∂u
                           
                           
                           
                                    ∂ϕ(a) ∂χ(a)    ∂χ(a) ∂ϕ(a)
                             y=                 − ∂u ∂v λ + y0 ,                    (40)
                                 ∂u ∂v                       
                           
                           z =    ∂ϕ(a)  ∂ψ(a)    ∂ψ(a) ∂ϕ(a)
                                           ∂v − ∂u              λ + z0 ,
                           
                                     ∂u                    ∂v
λ ∈ R, или
                           ∂F (a)                      ∂F (a)                  ∂F (a)
                      x=          λ + x0 ,     x=             λ + y0 ,    x=          λ + z0 .           (41)
                            ∂x                          ∂y                      ∂z
     Пример 19. Если S — сфера, заданная уравнением (32), то
                                             x0 x + y0 y + z0 z = R2
— уравнение касательной плоскости, а
                           x = x0 (2λ + 1),      y = y0 (2λ + 1),        z = x0 (2λ + 1)
— уравнение нормали, проходящих через точку (x0 , y0 , z0 ) ∈ S.

Сечения и линии уровня. Пусть поверхность S задана параметрическими уравнениями (34)
и
                             u = u(t), v = v(t),      t ∈ [t0 , t1 ],
— кривая в плоскости параметров (u, v). Тогда в пространстве R3 возникает кривая
             x = ϕ(u(t), v(t)) = x(t),    y = ψ(u(t), v(t)) = y(t),          z = χ(u(t), v(t)) = z(t),
целиком лежащая на поверхности S.
  Частным случаем таких кривых являются сечения. Пусть a ∈ S — точка рассматриваемой
поверхности, в некоторой окрестности которой матрица
                                      2     2    2
                                                     
                                                 ∂ x      ∂ x   ∂ x
                                                   2     ∂u∂v      2
                                               ∂u
                                                ∂2y       ∂2y
                                                                ∂v
                                                                ∂2y 
                                               ∂u 2     ∂u∂v   ∂v 2
                                                 ∂2z      ∂2z   ∂2z
                                                 ∂u2     ∂u∂v   ∂v2
отлична от нулевой, и P — плоскость, проходящая через эту точку. Тогда пересечение S∩P являет-
ся плоской кривой, которая называется сечением поверхности S плоскостью P . Если поверхность
задана уравнением z = f (x, y), то её сечения плоскостями z = c, где c — число, называются
линиями уровня.
     Пример 20. Любое сечение сферы — это окружность.