Microsoft PowerPoint 曲線之切線、曲率及紐率.ppt

Similar documents
untitled

第一章三角函数 1.3 三角函数的诱导公式 A 组 ( ) 一 选择题 : 共 6 小题 1 ( 易诱导公式 ) 若 A B C 分别为 ABC 的内角, 则下列关系中正确的是 A. sin( A B) sin C C. tan( A B) tan C 2 ( 中诱导公式 ) ( ) B. cos(

untitled

%% &% %% %% %% % () (! #! %!!!!!!!%! # %& ( % & ) +, # (.. /,) %& 0

! + +, ) % %.!&!, /! 0! 0 # ( ( # (,, # ( % 1 2 ) (, ( 4! 0 & 2 /, # # ( &

untitled

untitled

untitled

. () ; () ; (3) ; (4).. () : P.4 3.4; P. A (3). () : P. A (5)(6); B. (3) : P.33 A (9),. (4) : P. B 5, 7(). (5) : P.8 3.3; P ; P.89 A 7. (6) : P.

.., + +, +, +, +, +, +,! # # % ( % ( / 0!% ( %! %! % # (!) %!%! # (!!# % ) # (!! # )! % +,! ) ) &.. 1. # % 1 ) 2 % 2 1 #% %! ( & # +! %, %. #( # ( 1 (

# % & ) ) & + %,!# & + #. / / & ) 0 / 1! 2

untitled

( )

# # # #!! % &! # % 6 & () ) &+ & ( & +, () + 0. / & / &1 / &1, & ( ( & +. 4 / &1 5,

zt

untitled

!! # % & ( )!!! # + %!!! &!!, # ( + #. ) % )/ # & /.

! # % & # % & ( ) % % %# # %+ %% % & + %, ( % % &, & #!.,/, % &, ) ) ( % %/ ) %# / + & + (! ) &, & % & ( ) % % (% 2 & % ( & 3 % /, 4 ) %+ %( %!

2009年挑战乔戈里




u -, θ = 0, k gu = 2 ln E v, v -, θ = π 2, k gv = dθ 2 E. 2. r(u, v) = {a cos u cos v, a cos u sin v, a sin u} k g = sin u dv, θ. E = a 2, F = 0, = a

<4D F736F F D205FBFEFADD7BCC6BEC7A5D2A4555F322D31B74CA4C05FB4B6A454A94D5F2E646F63>

翁秉仁教授 本著作除另有註明, 所有內容取材自作者翁秉仁教授所著作的微積分講義, 採用創用 CC 姓名標示 - 非商業使用 - 相同方式分享 3.0 台灣授權條款釋出

2011-论文选集-2.cdr



) & ( +,! (# ) +. + / & 6!!!.! (!,! (! & 7 6!. 8 / ! (! & 0 6! (9 & 2 7 6!! 3 : ; 5 7 6! ) % (. ()

WL100014ZW.PDF

微积分 授课讲义


( ) Wuhan University

! /. /. /> /. / Ε Χ /. 2 5 /. /. / /. 5 / Φ0 5 7 Γ Η Ε 9 5 /

& & ) ( +( #, # &,! # +., ) # % # # % ( #


中華民國青溪協會第四屆第三次理監事聯席會議資料



Wl100036zw.PDF

極限 limit 是由 無限接 近 的想法產生出來的數學概 念 最初用來決定某些函數在沒 有定義的點上的函數值 使得它 與鄰近的函數值有某種協調關 係 極限觀念的第一個應用 是 在決定函數由平均變化率導出瞬 間變化率 此過程即為微分 萊 布尼茲 Leibniz 從幾何觀點討論微分

% %! # % & ( ) % # + # # % # # & & % ( #,. %

lim f(x) lim g(x) 0, lim f(x) g(x),

第一章.doc

!!! #! )! ( %!! #!%! % + % & & ( )) % & & #! & )! ( %! ),,, )


%! # # % % & # ( ) ( +, & +, +, & +, & +, +, &!

untitled

# ( + + # + # 6 +,! + # +! +, + # ( + ) ( + ( + ) + 7! + # + /8 + ) ( +! + #. + ( +, +! + # + # + + ( ! ( + ) ( + ) +, + ( + 9% +! +, + ( +



Ρ Τ Π Υ 8 ). /0+ 1, 234) ς Ω! Ω! # Ω Ξ %& Π 8 Δ, + 8 ),. Ψ4) (. / 0+ 1, > + 1, / : ( 2 : / < Α : / %& %& Ζ Θ Π Π 4 Π Τ > [ [ Ζ ] ] %& Τ Τ Ζ Ζ Π

内文标题采用宋体小三,居中,加粗;一级标题使用小四宋体加粗;正文宋体五号,行测讲义答案由于均为选择题,则段首无需空格,申论讲义答案段首需空两格;全文使用1

1.3

56,,,,, :,, 1953,, 1953,1953,,1953,,,,,,,,, () ,30118, 34, ;,4912 %,5614 %, 1,1953, 1119, ,, , , 1111 (

PowerPoint 演示文稿

B3C1

數學教育學習領域

untitled

&! +! # ## % & #( ) % % % () ) ( %


!! )!!! +,./ 0 1 +, 2 3 4, # 8,2 6, 2 6,,2 6, 2 6 3,2 6 5, 2 6 3, 2 6 9!, , 2 6 9, 2 3 9, 2 6 9,


习 题 12

! "#$! " # $%%&#! ()*+, - %& - %.,/ - /!! ! " ! #0 $ % &0 123.! 4(5 $%%& %3 &$!!!!!!!!!!!!!!! % % - /&%.&.33!!! &! 3%% - 3 % -

ⅠⅡⅢ Ⅳ


# 年43屆國際數學奧林匹亞競賽試題與解答4.doc

! # %! #! #! # % + &, % % ) %. /! # 0 1


数 学 高 分 的 展 望 一 管 理 类 联 考 分 析 第 一 篇 大 纲 解 析 篇 编 写 : 孙 华 明 1 综 合 能 力 考 试 时 间 :014 年 1 月 4 日 上 午 8:30~11:30 分 值 分 配 : 数 学 :75 分 逻 辑 :60 分 作 文 :65 分 ; 总



& &((. ) ( & ) 6 0 &6,: & ) ; ; < 7 ; = = ;# > <# > 7 # 0 7#? Α <7 7 < = ; <


Chap 8: Inferences Based on a Single Sample: Tests of Hypothesis

. 雙曲線 y + y = 0 兩頂點的距離為何? 6 (E) 6. 若 log ( ) = + log, 則 =? 或 (E) +. 若 f ( ) =, 且 f ( a) = f ( b) =, 則 f ( a + b) =? 6 8 (E) =. 求 log ( + + )? (E) π 6.

4= 8 4 < 4 ϑ = 4 ϑ ; 4 4= = 8 : 4 < : 4 < Κ : 4 ϑ ; : = 4 4 : ;

., /,, 0!, + & )!. + + (, &, & 1 & ) ) 2 2 ) 1! 2 2


untitled

Book1.xls

,!! #! > 1? = 4!! > = 5 4? 2 Α Α!.= = 54? Β. : 2>7 2 1 Χ! # % % ( ) +,. /0, , ) 7. 2


, ( 6 7 8! 9! (, 4 : : ; 0.<. = (>!? Α% ), Β 0< Χ 0< Χ 2 Δ Ε Φ( 7 Γ Β Δ Η7 (7 Ι + ) ϑ!, 4 0 / / 2 / / < 5 02


《米开朗琪罗传》

《中国小百科全书(5):技术科学》

/ Ν #, Ο / ( = Π 2Θ Ε2 Ρ Σ Π 2 Θ Ε Θ Ρ Π 2Θ ϑ2 Ρ Π 2 Θ ϑ2 Ρ Π 23 8 Ρ Π 2 Θϑ 2 Ρ Σ Σ Μ Π 2 Θ 3 Θ Ρ Κ2 Σ Π 2 Θ 3 Θ Ρ Κ Η Σ Π 2 ϑ Η 2 Ρ Π Ρ Π 2 ϑ Θ Κ Ρ Π

cumcm0206.PDF

精 勤 求 学 自 强 不 息 Born to win! 5 具 有 听 觉 的 不 足 6 个 月 的 婴 儿 能 迅 速 分 辨 相 似 的 语 音, 不 仅 仅 是 那 些 抚 养 这 些 婴 儿 的 人 使 用 的 语 言 的 声 音 而 年 轻 人 只 能 在 他 们 经 常 使 用 的

逢甲大學實習工場



10.1 參數方程式 註 若一函數 y = f(x) 可將其參數化為 x = t, y = f(t) 則其反函數可參數化為 x = f(t), y = t 例 討論以下曲線 : (a) x = a cos t, y = a sin t, t [0, 2π] (b) x


8 9 8 Δ 9 = 1 Η Ι4 ϑ< Κ Λ 3ϑ 3 >1Ε Μ Ε 8 > = 8 9 =

Β 8 Α ) ; %! #?! > 8 8 Χ Δ Ε ΦΦ Ε Γ Δ Ε Η Η Ι Ε ϑ 8 9 :! 9 9 & ϑ Κ & ϑ Λ &! &!! 4!! Μ Α!! ϑ Β & Ν Λ Κ Λ Ο Λ 8! % & Π Θ Φ & Ρ Θ & Θ & Σ ΠΕ # & Θ Θ Σ Ε

PowerPoint Presentation


Transcription:

4-5 曲線之切線 曲率及紐率

.1. 曲線切向量 切線 曲率

z r r y 曲線 L 的切線方程式 x ρ λ r + λ r 其中 λ 為切線的參數 L

ρ λ r + λr ρ λ < x, y, z >+ λ< x, y, z > ρ λ < x + λx, y + λy, z + λz >

ρ λ < x + λx, y + λy, z + λz > 切線的參數式方程式 x x + λx y y + λy z z + λz

切線的參數式方程式 x x + λx λ x x x y y + λy y y λ y z z + λz λ z z z

x x x λ y y y λ z z z λ x x x λ y y y z z z

x x x λ y y y z z z z z z y y y x x x 稱為切線的對稱式方程式

例題 4-17 求圓柱曲線 r < a cos, a sin, b > 在 π 6 處的切線向量與切線方程式

解 > < b a a r, sin, cos > < 6, 6 sin, 6 cos 6 π π π π b a a r > < 6, 1, 3 6 π π b a a r > < 6,, 3 6 π bπ a a r

< a a b > 解 r cos, sin, r < asin, acos, b > π π π r < asin, acos, b 6 6 6 > 1 3 r π < a, a, b 6 > a 3a r π <,, b 6 >

> < 6,, 3 6 π bπ a a r > < b a a r, 3, 6 π 在 6 π 處之切線方程式 b b z a a y a a x 6 3 3 π

為了進一步研究曲線之特性 我們引進弧長 s 做為曲線之參數 由於 s 是 的函數, 且 s d r d d

由於 s 是 的函數, 且 s d r d d 反之, 也是 s 的函數 s 因此曲線弧長 s 也可以做為曲線之參數 即曲線方程式可寫成 r r r s r s

d r 是單位切線向量 簡稱切向量 且記為 α 即 α d r

切向量的性質 1 α 與 d α d 互相垂直

d α d lim Δ s Δ Q Δ s 其中 Δ Q 表示 α s + Δ s 與 α s 的夾角 α s + Δ s Δ α s Δ Q α s

證明 α s α s + Δs 1 ΔQ Δ α s α s + Δs α s sin 解釋於黑板

d α lim Δs α s + Δs Δs α s d α α s + Δs α s lim Δ s Δs d α sin Δs ΔQ lim Δ s

d α sin Δs ΔQ lim Δ s d α ΔQ lim Δ s Δs d α lim Δ s ΔQ Δs

定義 4-4 稱 k s d r d α 為曲線 rs 在 s 點的曲率

當 k s 時 1 稱 ρ s k s 為曲線在 s 點的曲率半徑

以上討論的曲線方程式以弧長為參數 但大部分的實際問題 給出的曲線方程式不是以弧長為參數 如何由非弧長參數 來計算切向量 αs 與曲率 k s 可見下面的例子

例題 4-18 已知圓柱螺線 r < 4sin,4cos, 3 > 試求切向量 α s ks 與曲率

解 r < 4sin,4cos, 3 > r < 4cos, 4sin,3 > d 4cos + 4sin + r 3 16 + 9 5

α d r d r d d r d d d r < 4cos, 4sin,3 d r 5 > 1 < 4cos, 4sin, 3 5 >

> < 3, 4sin, 4cos 5 1 d r α > <, 4cos, 4sin 5 1 d dα d s k α d d d α d dα 5 1 4cos 4sin 5 1 + 5 4

.. 曲線的主法線向量 扭率

因為 α 是單位向量 所以 dα 與 α 互相垂直 已知 d α d d r d r

d r 若 時 則向量 β d r d r 1 k d α 是單位向量且與 α 垂直

定義 4-5 d r 稱向量 β d r 1 k d α 為曲線的主法線向量 請參閱下一頁的圖

n α β β 1 k d α α α, β 與 n 構成一個右手系, 且 n 1

d n 證明 : 平行於 β 因為 n 為單位向量 n d n 已知 n α d n d α α + n

d n α + n dα d n α + kn β d n α 則 則 d n α

d n α 又 d n n 因此 d n 平行於 β

定義 4-6 設 d r 則由 d n T s β s 所確定的函數 T s 稱為曲線在 s 處的扭率

因為 d n T s β s 且 β s 1 則 T s d n

k s d α 是曲線切向量 α 的夾角對弧長的變化率 同理 T s d n 是單位向量 n 的夾角對弧長的變化率

例 4-19 已知圓柱螺線 r < 4 sin,4 cos, 3 > 試求主法線向量 β 與 扭率 解答寫於黑板

例 4- 已知曲線 r 3 3 < a3,3a, a3 + > a > 試求曲率 k 與 扭率 T 解答寫於黑板

端點曲線的例子 二 只改變方向 而不改變模的 向量函數 它的端點曲線在 以原點為球心, 向量大小為半徑的球面上 稱為球面曲線

因此 x A x y A y z A z 稱為端點曲線 L 的參數式方程式

或寫成向量形式 r A i + A j + A k x y z < A, A, A x y z > 稱為端點曲線的向量式方程式

參數式方程式 向量式方程式 已知曲線的向量式方程式 很容易寫出曲線之參數式方程式 反之亦然

參數式方程式 向量式方程式之例子 圓柱螺線的參數式方程式為 x a cos y a sin z b

圓柱螺線的參數式方程式為 x a cos y a sin z b 圓柱螺線的向量式方程式為 r r a cosi + a sin j + bk < a cos, a sin, b >

例題 4-1 寫出點 p x, y, z 平行向量 a < a, a, a x y z > 的直線方程式

r OP + a 例題 4-1 之解答 p x, y, z a a OP M x, y, z o r

r OP + a r < x, y, z > + < a, a, a x y z > r < x + a, y + a, z + a x y z > 為直線之向量式方程式

向量函數的坐標型態 則稱 A 為變數 的向量函數 記作 A A 它的坐標形式 A A i + A j + A k x y z

.. 向量函數的導數 切線向量

定義 4- A : 向量函數 : 定數 Δ : 的增加量 Δ A A + Δ A : A 從自變數 變到 + 時的增量

z P Δ A Q A y A + Δ x L

若下列極限存在 A A A Δ + Δ Δ Δ A A A Δ + Δ Δ Δ Δ Δ lim lim 則稱此極限為向量函數 A 在 處的導數向量

記作 A A A d d A A Δ + Δ Δ Δ Δ Δ lim lim

若 > <,, A A A A y x 則 > <,, A A A d da A y x > < d da d da d da z y x,, k d da j d da i d da z y x + +

y yfx 的圖形 fa a x L: 過點 a,fa 的切線 L 的斜率 dy f a x a dx

z P Δ A Q A y A + Δ x L

Δ A 是 PQ 上一個向量 Δ 當 Δ > 時, 則與 Δ A 同方向 當 Δ < 時, 則與 Δ A 反方向

當 Δ 時,PQ 割線繞著 P 點轉動 且以點 P 處的切線為其極限的位置 因此, 向量 d A 在點 P 處的切線上 d 其方向指向 增大的方向

若 r A 是曲線的向量方程式 則 dr d A d 在曲線的切線上 d 而且指向增大的一方 我們稱 dr d A 為曲線 r A d d 的切線向量

例題 4-13 求三次扭曲線 r < a, b c >, 3 的切線向量 解 : r <, a, b c 3 > 所以曲線的切線向量為 r < a,b,3c >

導數向量的性質 設 f f 為純量函數 A A, B B, C C 為向量函數 則 1 d f A d df d A + f d A d

d d B A B d d A d B A d + 3 d d B A B d d A d B A d + 4,,,,,,,, d dc AB C d db A BC d da ABC d d + +

例題 4-14 試證 : 模為常數的向量函數與其導數向量函數 互相垂直 相當於證明 : A A

例題 4-14 的證明 : 設 A c 則 A A c d d [ ] d A A c d

[ ] c d d A A d d + A A A A A A A A 因此 A A

模為常數的向量為球面向量 因此其幾何意義為 : 球面曲線的切向量與球半徑垂直

.3. 弧長參數

前面所研究的曲線 r A 中參數 可以是時間參數或其他參數 其中一個非常重要的參數是弧長 S

若把曲線弧長 S 作為參數, 則曲線的眾多性質與公式有明確的意義 因此稱弧長 S 為曲線的自然參數

z P s Q r y r x L

弧長公式設曲線則 > <,, z y x r r + + z y x d r s

+ + z y x d r s z y x r s d d + +

d d s r r d r d r d dr dr r d d r dr r r d dr dr 1

d r d r d r 1 1 曲線弧長 s 做為曲線方程式的參數時 d r 切線向量 α 的模為 1 即切線向量是單位向量

練習 4-3 1. 求曲線 r < a sin, a sin, a cos > 在 π 3 的切線向量

解 : > < a a a r cos, sin, sin > < a a a r sin cos, cos, cos > < 3 sin 3 cos, 3 cos, 3 cos 3 π π π π π a a a r

> < 3 sin 3 cos, 3 cos, 3 cos 3 π π π π π a a a r > < 3 1, 1, 1 3 a a a r π > < a a a r 3,, 3 π

練習 4-3. 求圓柱曲線 r < cos,sin, > 在 π 4 的切線向量

解 : r < cos,sin, > r < sin,cos,1 > π π π r < sin,cos,1 > 4 4 4

π π π r < sin,cos,1 > 4 4 4 r π 4 <,,1 > r π 4 <,,1 >

練習 4-3. 求曲線 r < sin, cos, e > 在 的切線向量

解 : r < sin, cos, e > r < sin + cos,cos sin, e + e >

r解 : < sin + cos,cos sin, e + e > r < sin + cos,cos sin, e + e > <,1, 1>