求空间曲线在某点的法平面方程,通常需要以下步骤:
一、确定曲线方程形式
参数方程:
若曲线由参数方程 $\mathbf{r}(t) = (x(t), y(t), z(t))$ 给出,直接对参数求导得到切向量 $\mathbf{T} = (x'(t), y'(t), z'(t))$。
一般方程:
若曲线由隐函数 $F(x, y, z) = 0$ 给出,法向量 $\mathbf{n}$ 可通过偏导数求得:$\mathbf{n} = \left( \frac{\partial F}{\partial x}, \frac{\partial F}{\partial y}, \frac{\partial F}{\partial z} \right)$。
二、计算切向量或法向量
参数方程:
对 $\mathbf{r}(t)$ 求导,得到 $\mathbf{T}$,再将其单位化得到方向向量。
一般方程:
计算 $F$ 对 $x, y, z$ 的偏导数,得到法向量 $\mathbf{n}$。
三、写出切线方程
切线方程为:
$$
\frac{x - x_0}{x'(t_0)} = \frac{y - y_0}{y'(t_0)} = \frac{z - z_0}{z'(t_0)}
$$
其中 $(x_0, y_0, z_0)$ 是曲线上的点,$(x'(t_0), y'(t_0), z'(t_0))$ 是该点的切向量。
四、写出法平面方程
法平面方程为:
$$
\frac{\partial F}{\partial x}(x_0, y_0, z_0)(x - x_0) + \frac{\partial F}{\partial y}(x_0, y_0, z_0)(y - y_0) + \frac{\partial F}{\partial z}(x_0, y_0, z_0)(z - z_0) = 0
$$
其中 $(x_0, y_0, z_0)$ 是曲线上的点,$\left( \frac{\partial F}{\partial x}, \frac{\partial F}{\partial y}, \frac{\partial F}{\partial z} \right)$ 是该点的法向量。
示例
一般方程:$x^2 + y^2 + z^2 - 1 = 0$(单位球面)
计算偏导数:$\frac{\partial F}{\partial x} = 2x, \frac{\partial F}{\partial y} = 2y, \frac{\partial F}{\partial z} = 2z$
在点 $(1, 0, 0)$ 处,法向量为 $\mathbf{n} = (2, 0, 0)$
法平面方程为:$2(x - 1) = 0 \Rightarrow x = 1$
参数方程:$\mathbf{r}(t) = (\cos t, \sin t, t)$
求导得切向量 $\mathbf{T} = (-\sin t, \cos t, 1)$
在 $t = 0$ 处,切向量为 $(0, 1, 1)$
切线方程为:$\frac{x - 1}{0} = \frac{y}{1} = \frac{z}{1} \Rightarrow y = z - 1$
法平面方程为:$0 \cdot (x - 1) + 1 \cdot (y - 0) + 1 \cdot (z - 0) = 0 \Rightarrow y + z = 0$
注意事项
参数方程需注意参数取值范围,避免出现分母为零的情况。
法向量可能不唯一,通常取单位向量或满足特定条件的解。
通过以上步骤,结合具体曲线方程形式,即可求出法平面方程。