平面方程


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任何一个x,y,z的一次方程的图形是平面;反之,任何一个平面的方程是x,y,z的一次方程。Ax+By+Cz+D=0(A,B,C不同时为0),称为平面的一般方程。其法向量=(A,B,C);若平面与3个坐标轴的交点为P(a,0,0),P(0,b,0),P(0,0,c),则平面方程为:$x/a+y/b+z/c=1$,称此方程为平面的截距式方程,把它化为一般式即可求出它的法向量

设曲线参数方程 x=x(t),y=y(t),z=z(t)是曲面u(x,y,z)=c上的一条曲线(c为常数,u(x,y,z)=c表示等高线),由于该曲线在曲面上,所以x=x(t),y=y(t),z=z(t)满足方程u(x,y,z)=c,即u(x(t),y(t),z(t))=c,利用复合函数求导法则,方程两边同时对t求导数,得 (ðu/ðx)x‘(t)+(ðu/ðy)y‘(t)+(ðu/ðz)*z‘(t)=0,所以
向量(x'(t),y'(t),z'(t))【切向方向】与
向量(ðu/ðx,ðu/ðy,ðu/ðz)【梯度】垂直。

但是,这里需要注意的这里的法向量方向是对等高线来说的,而非对曲面,曲面法向量需要添加对u求偏导。因为梯度方向是降维的,都是对自变量求导的。

而向量(x'(t),y'(t),z'(t))表示曲线的切向量,向量(ðu/ðx,ðu/ðy,ðu/ðz)表示梯度,所以梯度和切向量垂直。

说道这里,可能还不好理解,用爬山来举例。

爬山是最快的方向就是直观上最陡的方向,我们看着是斜向上的。而爬山时梯度方向是水平的【延伸到高维就不能说水平了】,即把那个斜向上的方向投影到水平面上的方向,也就是等高线的法向量方向了。

总结,讨论梯度与切向量、法向量的关系时,切法向量均是对曲线来说的,而不是整个曲面的法向量。因为梯度的维度比曲线的维度低,这是需要记住的。

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