雅克比行列式补充和曲面的参数方程求导表示法向量

news2025/1/18 8:53:24

接上篇的雅克比行列式部分。其实对于任何变量x,y, dxdy描述的是一个抽象的“面积”。比如,如果x是力F,y是时间t,那么“面积”Ft其实就是做功。所以我们可以认识到,对于dxdy和dudv之间,如果自变量u,v的改变量引起了因变量x,y的改变量,可以通过面积来帮助我们理解。这个面积是广义的。就像二重积分一样,体积只是帮助我们更好的去理解它是怎么积分的。

按照这个思路,我们思考下。对于uv空间下,自变量的改变量我们认为的dudv,是描述成面积的。

然后,在xy空间下,因为dudv的改变,导致了最终xy的改变dxdy。

这里还需要注意的一点是,相比于一维空间下的x和dx,二维的dudv是极小的一块面积。

并不是从u--->du和v---->dv延伸出去的面积。画个图说明:

因为右边才是微元的组成方式。

所以,dudv的改变量,到了xy下,就是(x,y),(x(u+du,v), y(u+du,v)),(x(u,v+dv),y(u,v+dv),(x(u+du,v+dv),y(u+du,v+dv))这四个点围成的新的平行四边形的面积。

这一些都是这么合理。

第二个问题,可以分解成两个小问题,

  1. 曲线的偏导数。

  1. 曲面的偏导数

先看曲线的切线方程的证明:

核心思路是割线的极限就是切线,方向向量是p0q

这里很巧妙的同时除以德尔塔t,向量的方向不变。

然后看曲面的法线方程的证明:

取曲面上的一条曲线,按照我们之前的切线方程的性质。

对曲面方程两边同时求导就行了。

在《简明微积分》里面,证明稍微有所不同,

F(x,y,z) = 0

F(x(t),y(t),z(t)) = 0

全微分:F'xdx +F'ydy + F'zdz = 0

把(dx,dy,dz)看成切线,那么(F'x,F'y,F'z)就是法线了。

其实这里有个很重要的隐藏条件,就是为什么(dx,dy,dz)是这个曲面的切线。

如果看y=f(x),显然dx可以是任意的。对于z=f(x,y),dx,dy也可以是任意方向的。注意到,我们现在是F(x,y,z)=0,其实他就是z=f(x,y)的隐函数,也就是说,dz和dx,dy是有关系的。dx,dy可以是任意方向,但dz一定保证了从任何一点出发P(x,y,z), P(x+dx,y+dy,z+dz)一定还是在曲面上。

好好理解,很美妙。

然后是曲面参数方程的法向量怎么求。

x=x(u,v), y=y(u,v), z = z(u,v)

或者写作r=r(u,v)

固定v0,那么久得到了一条u曲线,固定u0,那么就得到了一条v曲线。

浴室r'u是u曲线的切向量,r'v是v曲线的切向量。

所以对于F(x,y,z)=0

我们对u和v分别求导。

F'xx'u + F'yy'u + F'zz'u = 0

F'xx'v +F'yy'v + F'zz'v = 0

所以F'x,F'y,F'z和r'u,r'v都垂直。所以后面两者的叉乘就是它的法向量。

代数证明参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/481722441

注意里面的核心是du,dv可以是任意的,所以F'x,F'y,F'z不可能同时为0.

这个前面解释过了。

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