几何应用综合

夹角计算

常见夹角公式
  1. 两曲面的夹角(交线上某点处切平面的夹角,即法向量的夹角): cos⁡θ=∣∇F1⋅∇F2∣∣∇F1∣⋅∣∇F2∣\cos\theta = \frac{|\nabla F_1 \cdot \nabla F_2|}{|\nabla F_1| \cdot |\nabla F_2|}

  2. 曲线与曲面的夹角(曲线切向量与曲面切平面的夹角,即切向量与法向量夹角的余角): sin⁡φ=∣T⃗⋅n⃗∣∣T⃗∣⋅∣n⃗∣\sin\varphi = \frac{|\vec{T} \cdot \vec{n}|}{|\vec{T}| \cdot |\vec{n}|}

  3. 两曲线的夹角(交线上切向量的夹角): cos⁡θ=∣T⃗1⋅T⃗2∣∣T⃗1∣⋅∣T⃗2∣\cos\theta = \frac{|\vec{T}_1 \cdot \vec{T}_2|}{|\vec{T}_1| \cdot |\vec{T}_2|}

  4. 直线与平面的夹角: sin⁡φ=∣s⃗⋅n⃗∣∣s⃗∣⋅∣n⃗∣\sin\varphi = \frac{|\vec{s} \cdot \vec{n}|}{|\vec{s}| \cdot |\vec{n}|}

典型综合题

例题1:两曲面正交

证明球面 x2+y2+z2=R2x^2 + y^2 + z^2 = R^2 与锥面 x2+y2=a2z2x^2 + y^2 = a^2 z^2 在交线上每一点处都正交。

参考答案
正交曲面夹角法向量证明题
  1. 令 F=x2+y2+z2−R2F = x^2+y^2+z^2-R^2,G=x2+y2−a2z2G = x^2+y^2-a^2z^2
  2. ∇F=(2x,2y,2z)\nabla F = (2x, 2y, 2z),∇G=(2x,2y,−2a2z)\nabla G = (2x, 2y, -2a^2z)
  3. 在交线上(同时满足两个方程),计算法向量点积: ∇F⋅∇G=4x2+4y2−4a2z2=4(x2+y2−a2z2)=4⋅0=0\nabla F \cdot \nabla G = 4x^2 + 4y^2 - 4a^2z^2 = 4(x^2+y^2-a^2z^2) = 4 \cdot 0 = 0(由锥面方程)
  4. 法向量点积为零,故两曲面在交线上每一点处都正交。

答案:两曲面在交线上正交。

例题2:曲面上曲线的夹角

在曲面 z=xyz = xy 上,求过点 (1,1,1)(1, 1, 1) 的两条截线(分别平行于 xOzxOz 面和 yOzyOz 面)的夹角。

参考答案
夹角截线切向量曲面
  1. 平行于 xOzxOz 面的截线:y=1y=1,即 {z=xy=1\begin{cases} z=x \\ y=1 \end{cases},参数方程 x=t,y=1,z=tx=t, y=1, z=t,切向量 T⃗1=(1,0,1)\vec{T}_1 = (1, 0, 1)
  2. 平行于 yOzyOz 面的截线:x=1x=1,即 {z=yx=1\begin{cases} z=y \\ x=1 \end{cases},参数方程 x=1,y=t,z=tx=1, y=t, z=t,切向量 T⃗2=(0,1,1)\vec{T}_2 = (0, 1, 1)
  3. 夹角余弦:cos⁡θ=∣T⃗1⋅T⃗2∣∣T⃗1∣∣T⃗2∣=∣0+0+1∣2⋅2=12\cos\theta = \frac{|\vec{T}_1 \cdot \vec{T}_2|}{|\vec{T}_1||\vec{T}_2|} = \frac{|0+0+1|}{\sqrt{2}\cdot\sqrt{2}} = \frac{1}{2}
  4. 故 θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}(60度)

答案:两条截线的夹角为 π3\frac{\pi}{3}(60度)。

例题3:点到曲面的最短距离

求原点到曲面 (x−y)2−z2=1(x-y)^2 - z^2 = 1 的最短距离。

参考答案
最短距离条件极值曲面拉格朗日乘数法
  1. 设曲面上点 (x,y,z)(x,y,z),距离平方 f=x2+y2+z2f = x^2+y^2+z^2,约束 (x−y)2−z2=1(x-y)^2-z^2=1
  2. L=x2+y2+z2+λ[(x−y)2−z2−1]L = x^2+y^2+z^2 + \lambda[(x-y)^2-z^2-1]
  3. Lx=2x+2λ(x−y)=0L_x = 2x+2\lambda(x-y)=0,Ly=2y−2λ(x−y)=0L_y = 2y-2\lambda(x-y)=0,Lz=2z−2λz=0L_z = 2z-2\lambda z=0
  4. 由 Lz=0L_z=0:2z(1−λ)=02z(1-\lambda)=0,故 z=0z=0 或 λ=1\lambda=1
  5. 若 λ=1\lambda=1:由 Lx=0L_x=0 得 x+x−y=0x+x-y=0 即 2x=y2x=y;由 Ly=0L_y=0 得 y−(x−y)=0y-(x-y)=0 即 2y=x2y=x;联立得 x=y=0x=y=0,代入约束得 −z2=1-z^2=1,无解。
  6. 故 z=0z=0:约束变为 (x−y)2=1(x-y)^2=1,即 x−y=±1x-y=\pm1
  7. 由 Lx=0,Ly=0L_x=0, L_y=0:x=−λ(x−y)x = -\lambda(x-y),y=λ(x−y)y = \lambda(x-y),故 x=−yx = -y
  8. 联立 x=−yx=-y 和 x−y=±1x-y=\pm1:2x=±12x=\pm1,x=±12x=\pm\frac{1}{2},y=∓12y=\mp\frac{1}{2}
  9. 距离平方 f=14+14+0=12f = \frac{1}{4}+\frac{1}{4}+0 = \frac{1}{2}
  10. 最短距离 =12=22= \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

答案:最短距离为 22\frac{\sqrt{2}}{2}。

例题4:切平面与坐标面围成体积

求曲面 xyz=1xyz = 1(x>0,y>0,z>0x>0,y>0,z>0)上切平面与三个坐标面围成的四面体体积的最小值。

参考答案
切平面四面体体积最值条件极值
  1. 令 F=xyz−1F=xyz-1,∇F=(yz,xz,xy)\nabla F=(yz,xz,xy)
  2. 在切点 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 处(x0y0z0=1x_0y_0z_0=1),切平面: y0z0(x−x0)+x0z0(y−y0)+x0y0(z−z0)=0y_0z_0(x-x_0)+x_0z_0(y-y_0)+x_0y_0(z-z_0)=0
  3. 化简:y0z0x+x0z0y+x0y0z=3x0y0z0=3y_0z_0 x + x_0z_0 y + x_0y_0 z = 3x_0y_0z_0 = 3
  4. 截距式:x3x0+y3y0+z3z0=1\frac{x}{3x_0} + \frac{y}{3y_0} + \frac{z}{3z_0} = 1
  5. 截距:3x0,3y0,3z03x_0, 3y_0, 3z_0,四面体体积 V=16⋅27x0y0z0=276=92V = \frac{1}{6} \cdot 27x_0y_0z_0 = \frac{27}{6} = \frac{9}{2}
  6. 体积与切点位置无关,恒为 92\frac{9}{2}!

答案:切平面与坐标面围成的四面体体积恒为 92\frac{9}{2},与切点无关,故最小值也是 92\frac{9}{2}。


练习题

练习1

证明旋转抛物面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 与椭球面 x22+y2+z2=3\frac{x^2}{2} + y^2 + z^2 = 3 在点 (1,0,1)(1, 0, 1) 处正交。

参考答案
正交曲面法向量证明题
  1. 令 F=x2+y2−zF = x^2+y^2-z,G=x22+y2+z2−3G = \frac{x^2}{2}+y^2+z^2-3
  2. ∇F=(2x,2y,−1)\nabla F = (2x, 2y, -1),∇G=(x,2y,2z)\nabla G = (x, 2y, 2z)
  3. 在 (1,0,1)(1,0,1) 处:∇F=(2,0,−1)\nabla F = (2,0,-1),∇G=(1,0,2)\nabla G = (1,0,2)
  4. ∇F⋅∇G=2×1+0+(−1)×2=0\nabla F \cdot \nabla G = 2\times1 + 0 + (-1)\times2 = 0
  5. 法向量正交,故两曲面在该点正交。

答案:两曲面在 (1,0,1)(1,0,1) 处正交。

练习2

求曲线 {x2+y2+z2=2x+y+z=0\begin{cases} x^2 + y^2 + z^2 = 2 \\ x + y + z = 0 \end{cases} 在点 (1,0,−1)(1, 0, -1) 处的切线与 zz 轴的夹角。

参考答案
夹角切线空间曲线z轴
  1. 令 F=x2+y2+z2−2,G=x+y+zF=x^2+y^2+z^2-2, G=x+y+z
  2. ∇F=(2x,2y,2z),∇G=(1,1,1)\nabla F=(2x,2y,2z), \nabla G=(1,1,1)
  3. 在 (1,0,−1)(1,0,-1) 处:∇F=(2,0,−2),∇G=(1,1,1)\nabla F=(2,0,-2), \nabla G=(1,1,1)
  4. 切向量 T⃗=∇F×∇G=∣i⃗j⃗k⃗20−2111∣=(2,−4,2)\vec{T}=\nabla F\times\nabla G=\begin{vmatrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\2&0&-2\\1&1&1\end{vmatrix}=(2,-4,2),可取 (1,−2,1)(1,-2,1)
  5. zz 轴方向向量 k⃗=(0,0,1)\vec{k}=(0,0,1)
  6. 夹角余弦:cos⁡θ=∣T⃗⋅k⃗∣∣T⃗∣∣k⃗∣=11+4+1=16\cos\theta = \frac{|\vec{T}\cdot\vec{k}|}{|\vec{T}||\vec{k}|} = \frac{1}{\sqrt{1+4+1}} = \frac{1}{\sqrt{6}}
  7. θ=arccos⁡16\theta = \arccos\frac{1}{\sqrt{6}}

答案:切线与 zz 轴的夹角为 arccos⁡16\arccos\frac{1}{\sqrt{6}}。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
θ\theta夹角theta两向量/曲面/曲线的夹角
φ\varphi夹角phi直线与平面的夹角
n⃗\vec{n}法向量normal vector曲面/平面的法向量
T⃗\vec{T}切向量tangent vector曲线的切向量
VV体积volume四面体体积

中英对照

中文术语英文术语音标
正交orthogonal/ɔːrˈθɒɡənəl/
夹角angle between/ˈæŋɡəl bɪˈtwiːn/
截线trace / section/treɪs/ /ˈsɛkʃən/
最短距离shortest distance/ˈʃɔːrtɪst ˈdɪstəns/
四面体tetrahedron/ˌtɛtrəˈhiːdrən/
截距intercept/ˈɪntərsɛpt/
法向量normal vector/ˈnɔːrməl ˈvɛktər/
切向量tangent vector/ˈtændʒənt ˈvɛktər/
锥面cone/koʊn/
旋转抛物面paraboloid of revolution/pəˈræbəlɔɪd əv ˌrɛvəˈluːʃən/

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