曲面参数方程.docVIP

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曲面参数方程

第二章 曲面论 第二节 曲面的参数方程 曲面的参数方程 设曲面是由显式 所表示。 设是曲面上的点, 记向量,则它们可构成一一对应。 于是曲面上的点可以用向量值函数 来表示, 也可以写为参数形式 。 一般地,设, 其中参数, 这里是中的一个区域。 我们称由 ,, 所构成的中点集为一张参数曲面,(即曲面,可以表示为参数方程表示的点集。) 记为 ,(1) 把(1)用分量表示出来,就是 ,(2) 是一个固定的点, 与是自出发的两个不平行的向量。这时,由与张成的平面可以用向量方程, 来表示; 写成分量表示为 , , , 即方程组 , , 有非零解, 所以,有 。 例2、 圆柱面 的参数方程为 , 其中参数的变化范围是 , 。 例3、 球心在坐标原点,半径为的球面, 有参数方程 , 其中参数的变化范围是 , 参数的意义,分别表示纬度和经度,见图所示。 例4、 椭球面, 的参数方程表示为 这里, 。 例5、考虑平面上的一曲线 。 把此曲线绕轴旋转一周, 则得一曲面,称为旋转曲面。 的参数表示为 , 或。 这里, 。 例6、圆曲线 绕轴旋转所得旋转曲面称为圆环面,的方程为 ; 的参数表示为:,,, ,; 时曲面上的曲线称为经线,时曲面上的曲线称为纬线。 曲面参数方程表示的几何意义。(曲线坐标) 平面到曲面的映射 曲面 , (2) 即映射, 也就是说,任给定一点 ,代入方程(2)可算得 上的一点, 其中 。 当然,不同的参数对可能对应着上的同一点,这时曲面出现自交的现象。 曲线坐标网 用分别平行于轴和轴的直线,将分成网格,则在曲面得到对应的曲线网。 实例,切菜条(对菜体面的横切线、竖切),切土豆丝(土豆曲面的横切线、竖切), 撑开的鱼网面上的网线,编织袋曲面上的网线, 棉布面上的网线,军事伪装网面上的网线等。 现在,令,在参数区域上,这是一段平行于轴的直线,这时,将代入方程,得出 , 它是单参数的方程,对应着曲面上的一段曲线,这类曲线被称为曲面上的曲线(因为只有参数在变化),不同的就对应着不同的曲线,所有的曲线族就覆盖住了曲面。 类似地,若令,那么曲面上的曲线 称为上的曲线(因为只有参数在变化),不同的就对应着不同的曲线,所有的曲线族就覆盖住了整个曲面。 一般地说,曲面上的一点,只有一条曲线和一条曲线通过。 例如说,过曲面上的点只有曲线(即)和曲线()通过。 我们说,是曲面上的点的曲线坐标,以后,我们干脆称是曲面上的点。 让我们来看例2,这时球面上的曲线的方程是,它们是球面上的经线;而球面上的曲线的方程是,它们是球面上的纬线;当常数属于时,是北纬线; 当常数属于时,是南纬线。 很明显,除了南极和北极两点之外,球面上的其他点只有唯一的一条经线和唯一的一条纬线通过。 曲面的切平面和法向量 是曲面上的曲线, 偏导向量 是曲面上的曲线()的切向量; 类似地, 是曲面上的曲线的切向量。 特别地,偏导向量 分别是曲面上的点处的曲线的切向量和曲线的切向量。 为了进一步认识这两个向量和几何意义,我们继续开展下面的讨论。 设是中的一段曲线,并设 , 。 这一段曲线在映射之下,变成曲面上的一条曲线,它经过上的点,所以,我们可以直接称是上过这一点的曲线,它的向量方程是, 对求导,由链式法则,可得 , 将代入上式,我们有 , 此式表示:曲面上过点的任何一条曲线,它在处的切向量,都是的线性组合,也就是说,曲面上过点的任何一条曲线在处的切线在同一平面上,它就是由这两个向量张成的平面,当然要设这两个向量不共线。 我们把这个平面定义为曲面在处的切平面,切平面方程为 , 其中 。 也可以写出切平面方程的一般形式。 而把向量当成曲面在点处的一个法向量,因此,曲面在点处有法向量。 法线的方程亦可写出来。 法向量的计算公式: , , (将此行列式按第一行展开) 。 曲面的第一基本量 由于 , 记 , , 。 我们把,称为曲面的第一基本量。 因此, 。 从而 是曲面上的单位法向量, 用来记,即 ; 也是曲面上的单位法向量。 我们令。 六、正则曲面 设曲面的参数方程为 , 具有一阶连续偏导数,设,若,则称为曲面的上的正则点;否则,称为奇点; 当曲面上的所有点都是正则点时,称为正则曲面。 今后,凡是讲到曲面,都是指正则曲面。我们附加“正则”这一条件的原因,在于保证曲面上处处存在着切平面和法向量。 七、举例 例3 求球面 的法向量。 解:方法一 设, 曲面, 法向量:, 单位外法向量为; 方法二: , , , 所以 , , 称为正交曲线网) , 得出, 并且 因此,球面的单位法向量是 , 对照球面的参数方程, , 这是球面上的点的径向量除以球的半径,正好是球的单位外法向量。 16

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