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 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 处可微,则曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 M0(x0,y0,z0)M_0(x_0, y_0, z_0)(其中 z0=f(x0,y0)z_0 = f(x_0, y_0))处存在切平面

全微分 dz=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)dz = f_x(x_0,y_0)(x-x_0) + f_y(x_0,y_0)(y-y_0) 的几何意义是:切平面上点的竖坐标的增量。

Δx,Δy|\Delta x|, |\Delta y| 很小时,Δzdz\Delta z \approx dz,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 z=f(x,y)z = f(x, y)

定理1

设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处可微,则曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 M0(x0,y0,z0)M_0(x_0, y_0, z_0) 处的切平面方程为:

zz0=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)z - z_0 = f_x(x_0, y_0)(x - x_0) + f_y(x_0, y_0)(y - y_0)

切平面的法向量为:

n=(fx(x0,y0),fy(x0,y0),1)\vec{n} = (f_x(x_0, y_0), f_y(x_0, y_0), -1)

几何解释
推论
证明
符号说明

隐式曲面 F(x,y,z)=0F(x, y, z) = 0

定理2

设曲面由方程 F(x,y,z)=0F(x, y, z) = 0 给出,M0(x0,y0,z0)M_0(x_0, y_0, z_0) 是曲面上一点,且 Fx,Fy,FzF_x, F_y, F_z 在该点不同时为零,则曲面在 M0M_0 处的切平面方程为:

Fx(x0,y0,z0)(xx0)+Fy(x0,y0,z0)(yy0)+Fz(x0,y0,z0)(zz0)=0F_x(x_0,y_0,z_0)(x-x_0) + F_y(x_0,y_0,z_0)(y-y_0) + F_z(x_0,y_0,z_0)(z-z_0) = 0

法向量为:

n=(Fx(x0,y0,z0),Fy(x0,y0,z0),Fz(x0,y0,z0))=F(M0)\vec{n} = (F_x(x_0,y_0,z_0), F_y(x_0,y_0,z_0), F_z(x_0,y_0,z_0)) = \nabla F(M_0)

几何解释
推论
证明
符号说明

法线方程

定理3

曲面在点 M0M_0 处的法线是过 M0M_0 且垂直于切平面的直线。

  • 显式曲面 z=f(x,y)z=f(x,y):法线方程为 xx0fx(x0,y0)=yy0fy(x0,y0)=zz01\frac{x-x_0}{f_x(x_0,y_0)} = \frac{y-y_0}{f_y(x_0,y_0)} = \frac{z-z_0}{-1}

  • 隐式曲面 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0:法线方程为 xx0Fx(M0)=yy0Fy(M0)=zz0Fz(M0)\frac{x-x_0}{F_x(M_0)} = \frac{y-y_0}{F_y(M_0)} = \frac{z-z_0}{F_z(M_0)}

几何解释
推论
证明
符号说明

典型例题

例题1:显式曲面的切平面

求曲面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 在点 (1,2,5)(1, 2, 5) 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

  1. fx=2xf_x = 2xfy=2yf_y = 2y
  2. (1,2)(1,2) 处:fx(1,2)=2f_x(1,2) = 2fy(1,2)=4f_y(1,2) = 4
  3. 切平面方程:z5=2(x1)+4(y2)z - 5 = 2(x-1) + 4(y-2),即 2x+4yz5=02x + 4y - z - 5 = 0
  4. 法线方程:x12=y24=z51\frac{x-1}{2} = \frac{y-2}{4} = \frac{z-5}{-1}

答案:切平面 2x+4yz5=02x+4y-z-5=0,法线 x12=y24=z51\frac{x-1}{2}=\frac{y-2}{4}=\frac{z-5}{-1}

例题2:隐式曲面的切平面

求球面 x2+y2+z2=14x^2 + y^2 + z^2 = 14 在点 (1,2,3)(1, 2, 3) 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

  1. F(x,y,z)=x2+y2+z214F(x,y,z) = x^2+y^2+z^2-14
  2. Fx=2xF_x = 2xFy=2yF_y = 2yFz=2zF_z = 2z
  3. (1,2,3)(1,2,3) 处:Fx=2F_x=2Fy=4F_y=4Fz=6F_z=6
  4. 切平面方程:2(x1)+4(y2)+6(z3)=02(x-1) + 4(y-2) + 6(z-3) = 0,即 x+2y+3z14=0x + 2y + 3z - 14 = 0
  5. 法线方程:x12=y24=z36\frac{x-1}{2} = \frac{y-2}{4} = \frac{z-3}{6},即 x11=y22=z33\frac{x-1}{1} = \frac{y-2}{2} = \frac{z-3}{3}

答案:切平面 x+2y+3z14=0x+2y+3z-14=0,法线 x11=y22=z33\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{2}=\frac{z-3}{3}

例题3:证明切平面过定点

证明曲面 xyz=a3xyz = a^3a>0a>0)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

  1. F(x,y,z)=xyza3F(x,y,z) = xyz - a^3,则 Fx=yzF_x = yzFy=xzF_y = xzFz=xyF_z = xy
  2. 设曲面上任一点 M0(x0,y0,z0)M_0(x_0,y_0,z_0),满足 x0y0z0=a3x_0y_0z_0 = a^3
  3. 切平面方程:y0z0(xx0)+x0z0(yy0)+x0y0(zz0)=0y_0z_0(x-x_0) + x_0z_0(y-y_0) + x_0y_0(z-z_0) = 0
  4. 化简:y0z0x+x0z0y+x0y0z=3x0y0z0=3a3y_0z_0 x + x_0z_0 y + x_0y_0 z = 3x_0y_0z_0 = 3a^3
  5. 截距式:x3x0+y3y0+z3z0=1\frac{x}{3x_0} + \frac{y}{3y_0} + \frac{z}{3z_0} = 1
  6. 在三个坐标轴上的截距分别为 3x0,3y0,3z03x_0, 3y_0, 3z_0
  7. 四面体体积 V=163x03y03z0=276x0y0z0=92a3V = \frac{1}{6} \cdot |3x_0| \cdot |3y_0| \cdot |3z_0| = \frac{27}{6}|x_0y_0z_0| = \frac{9}{2}a^3(常数)

答案:四面体体积为 92a3\frac{9}{2}a^3,是常数,与切点位置无关。


练习题

练习1

求曲面 z=xyz = xy 在点 (2,3,6)(2, 3, 6) 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

  1. fx=yf_x = yfy=xf_y = x
  2. (2,3)(2,3) 处:fx(2,3)=3f_x(2,3) = 3fy(2,3)=2f_y(2,3) = 2
  3. 切平面:z6=3(x2)+2(y3)z - 6 = 3(x-2) + 2(y-3),即 3x+2yz6=03x + 2y - z - 6 = 0

答案:切平面方程为 3x+2yz6=03x+2y-z-6=0

练习2

求椭球面 x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1 在点 (x0,y0,z0)(x_0, y_0, z_0) 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

  1. F=x2a2+y2b2+z2c21F = \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1
  2. Fx=2xa2F_x = \frac{2x}{a^2}Fy=2yb2F_y = \frac{2y}{b^2}Fz=2zc2F_z = \frac{2z}{c^2}
  3. 切平面:2x0a2(xx0)+2y0b2(yy0)+2z0c2(zz0)=0\frac{2x_0}{a^2}(x-x_0) + \frac{2y_0}{b^2}(y-y_0) + \frac{2z_0}{c^2}(z-z_0) = 0
  4. 化简:x0xa2+y0yb2+z0zc2=x02a2+y02b2+z02c2=1\frac{x_0 x}{a^2} + \frac{y_0 y}{b^2} + \frac{z_0 z}{c^2} = \frac{x_0^2}{a^2}+\frac{y_0^2}{b^2}+\frac{z_0^2}{c^2} = 1

答案:切平面方程为 x0xa2+y0yb2+z0zc2=1\frac{x_0 x}{a^2}+\frac{y_0 y}{b^2}+\frac{z_0 z}{c^2}=1


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
n\vec{n}法向量normal vector切平面的法向量
M0M_0切点point of tangency曲面上的切点
F\nabla F梯度gradient函数 FF 的梯度
z0z_0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/