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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。
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