VMath
Инструменты сайта
Основное
Навигация
Информация
Действия
Содержание
Касательная, нормальная плоскость, соприкасающаяся плоскость, бинормаль, главная нормаль, репер Френе
Краткие теоретические сведения
Кривая в пространстве
Рассмотрим в пространстве гладкую кривую $\gamma$.
Пусть точка $M$ принадлежит данной кривой и отвечает значению параметра $t=t_0$. Тогда радиус-вектор и координаты данной точки равны:
\begin
Пусть в точке $M$ $ \vec
Касательная к кривой
Касательная к кривой, проведенная в точке $M$, имеет направляющий вектор коллинеарный вектору $\vec
Пусть $\vec
Здесь $\lambda\in(-\infty,+\infty)$ — параметр, определяющий положение точки на касательной (то есть разным значениям $\lambda$ будут соответствовать разные значения $\vec
Если $\vec
Нормальная плоскость
Плоскость, проходящую через данную точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно касательной в этой точке, называют нормальной плоскостью.
Пусть $\vec
Если расписать покоординатно, то получим следующее уравнение:
\begin
Соприкасающаяся плоскость
Плоскость, проходящую через заданную точку $M$ кривой $\gamma$ параллельно векторам $\vec
Если $\vec
Зная координаты точки и векторов, определяющих плоскость, запишем смешанное произведение через определитель. Получим следующее уравнение соприкасающейся плоскости:
\begin
Бинормаль и главная нормаль
Прямая, проходящая через точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно касательной к кривой в этой точке, называется нормалью.
Таких кривых можно провести бесконечно много, все они образуют нормальную плоскость. Мы выделим среди нормалей две — бинормаль и главную нормаль.
Нормаль, перпендикулярную соприкасающейся плоскости, называют бинормалью.
Нормаль, лежащую в соприкасающейся плоскости, называют главной нормалью.
Из определения бинормали (перпендикулярна касательной и перпендикулярна соприкасающейся плоскости) следует, что в качестве ее направляющего вектора мы можем взять векторное произведение $ \vec
Как и раньше, $\vec
Из определения главной нормали (перпендикулярна касательной и перпендикулярна бинормали) следует, что в качестве ее направляющего вектора можно взять векторное произведение $\vec
Уравнение в каноническом виде распишите самостоятельно.
Спрямляющая плоскость
Плоскость, проходящую через заданную точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно главной нормали, называют спрямляющей плоскостью.
Другое определение: Плоскость, определяемую касательной к кривой и бинормалью в той же точке, называют спрямляющей плоскостью.
Второе определение позволяет записать уравнение спрямляющей плоскости через смешанное произведение трех компланарных векторов, определяющих эту плоскость $\vec
Репер Френе
Орт (то есть единичный вектор) касательной обозначим: $$ \vec<\tau>=\frac<\vec
Правая тройка векторов $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\beta>$ называется репером Френе.
Решение задач
Задача 1
Кривая $\gamma$ задана параметрически:
Точка $M$, принадлежащая кривой, соответствует значению параметра $t=0$. Записать уравнения касательной, бинормали, главной нормали, нормальной плоскости, соприкасающейся плоскости и спрямляющей плоскости, проведенных к данной кривой в точке $M$. Записать векторы репера Френе.
Решение задачи 1
Задачу можно решать разными способами, точнее в разном порядке находить уравнения прямых и плоскостей.
Начнем с производных.
\begin
\begin
\begin
Поскольку направляющий вектор главной нормали у нас был найден как векторное произведение направляющих векторов касательной и бинормали, тройка $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\beta>$ не будет правой (по определению векторного произведения вектор $\vec<\tau>\times\vec<\beta>$ направлен так, что тройка векторов $\vec<\tau>$, $\vec<\beta>$, $\vec<\nu>=\vec<\tau>\times\vec<\beta>$
— правая). Изменим направление одного из векторов. Например, пусть
Теперь тройка $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\tilde<\beta>>$ образует репер Френе для кривой $\gamma$ в точке $M$.
Задача 2
Написать уравнение соприкасающейся плоскости к кривой $$ x=t,\,\, y=\frac
Решение задачи 2
Нетрудно заметить, что точка $N$ не принадлежит заданной кривой $\gamma$. Следовательно соприкасающаяся плоскость проведена в какой-то точке $M(t=t_0)\in\gamma$, но при этом плоскость проходит через заданную точку $N(0,0,9)$.
Найдем значение параметра $t_0$.
Для этого запишем уравнение соприкасающейся плоскости, проведенной в произвольной точке $M(t=t_0)$. И учтем, что координаты $N$ должны удовлетворять полученному уравнению.
Соприкасающаяся плоскость определяется векторами $\vec
\begin
Задача 3
Через точку $P\left(-\frac45,1,2\right)$ провести плоскость, являющуюся спрямляющей для кривой: $$ x=t^2,\,\, y=1+t,\,\, z=2t. $$
Решение задачи 3
Как и в предыдущей задаче нам неизвестны координаты точки, в которой проведена спрямляющая плоскость к заданной кривой. Найдем их.
Спрямляющая плоскость определяется касательной и бинормалью, то есть векторами $\vec
Записываем уравнение спрямляющей плоскости: \begin
Раскрываем определитель. Подставляем в уравнение координаты точки $P$: $X=-4/5$, $Y=1$, $Z=2$. Упрощаем и получаем уравнение для нахождения $t_0$: \begin
Уравнения соприкасающихся плоскостей к заданной кривой, проходящих через $P$, принимают вид: \begin
Нормальная плоскость и главная нормаль кривой
Нормальная плоскость.
Плоскость \(\mathcal
\), проходящую через точку \(M_<0>\) кривой \(\Gamma\) и перпендикулярную касательной к этой кривой в точке \(M_<0>\), называют нормальной плоскостью кривой \(\Gamma\) в точке \(M_<0>\).
Рис. 22.5
Если кривая \(\Gamma\) задана уравнением в векторной форме \) (рис. 22.5), \(\overrightarrow \) к кривой \(\Gamma\) в точке \(M_<0>\) можно записать в виде Любую прямую, лежащую в нормальной плоскости \(\mathcal \) к кривой \(\Gamma\) в точке \(M_<0>\), называют нормалью кривой \(\Gamma\) в точке \(M_<0>\). Среди всех нормалей выделяют одну — главную нормаль. Понятие главной нормали требует введения дополнительных ограничений на вектор-функции, с помощью которых записываются уравнения кривых. Пусть \(\Gamma\) — гладкая кривая, заданная уравнением \eqref Если \(\Gamma\) — дважды дифференцируемая кривая без особых точек, заданная уравнением \eqref \(\circ\) Применяя правило дифференцирования вектор-функции при замене переменного, получаем формулу \eqref Перейдем к определению главной нормали. Будем считать, что \(\Gamma\) — дважды дифференцируемая кривая без особых точек, заданная уравнением \eqref Пусть \(\nu\) — единичный вектор, параллельный вектору \(\displaystyle \frac Так как вектор \(\tau=\displaystyle \frac Итак, если в точке \(M\in\Gamma\) выполняется условие \eqref Содержание: По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике: Пусть 7 — регулярная кривая, Мо — точка кривой 7, П — плоскость, проходящая через касательную MoT кривой 7 в точке Мо. Пусть М — точка кривой 7, близкая к точке Мо, и Р — ортогональная проекция точки М на плоскость П (рис.31). Обозначим через h длину отрезка MP и через d — длину отрезка МоМ. Плоскость П называется соприкасающейся плоскостью кривой 7 в точке Мо, если отношение стремится к нулю при Геометрическое пояснение. Среди всех плоскостей, проходяших через касательную к кривой в точке Мо, соприкасающаяся плоскость наиболее? есно прим ыкает к кривой в некоторой (малой) окрестности это Й точки. Пусть кривая 7 задана векторным уравнением и точка М0 кривой 7 отвечает значению to параметра. Если векторы неколлинеарны, то в точке Мо существует и притом ровно одна соприкасающаяся плоскость (рис. 32). Вектор г»(/о) Рис.32 второй производной вектора r(t) кривой лежит в соприкасающейся плоскости. Поэтому соприкасающуюся плоскость кривой называют также плоскостью ускорений. Если кривая 7 задана в координатной форме Кривизна и кручение пространственной кривой Формулы Френе понятие гладкой поверхности Способы задания то уравнение соприкасающейся плоскости записывается в виде Нормаль кривой 7 в точке Мо, лежащая в соприкасающейся плоскости По кривой в этой точке, называется главной нормалью кривой в точке Мо, а нормаль кривой 7, перпендикулярная соприкасающейся плоскости По. называется бинормалью кривой 7 в точке Мо. Плоскость, проходящая через касательную и бинормаль кривой 7 в точке Мо, называется спрямляющей плоскостью кривой 7 в точке Мо. Лрииар 1. Найти главную нормаль и бинормаль, соприкасающуюся и спрямляют ую плоскости аинтояой линии . Начнем с ураанаиия сопри касающейся плоскости. И МММ Так мак бинормаль перпендикулярна соприкасающейся плоскости , то ее каноничесяиа уравнения записываются следующим обр ааом: Вычисли м теперь направляющий аактор главной нормали. Имеем Заменяя найден иый вектор на коллинеариый получаем канонические уравнения главной нормали : Наконец, — уравнение спрВмлющай плоосости , перпендикулярной главной нормали. (Первой) кривизной fcj кривой 7 в точке Мо называется предел отношения при М -» Мо, где ДА — наименьший угол между ка-сательн ыми к кривой 7 в ее точках Мо И М, а Да — длина дуги ^М0М (рис. 33). Кривизна кривой измеряет скорость ее отклонения от касательн ой. Кривизна прямой равна нулю в каждой ее точке. /» Если — естественная параметризация кривой 7, то ее кривизна к\ вычисляется по формуле Вектор г»(«) называется вектором кривизны кривой. Он ортогонален единичному вектору касательной г'(«), а его длина равна кривизне кривой. . В случае произвольной параметризации и кривизна2-регулярной кривой находится по формуле Пример 2. вектор кривизны винтовой линии Поэтому кривим винтов ой линии постол ни»: Пусть Мо — точка кривой у, отвечающая значению to естественного параметра, и — единичный вектор касательной кривой у в этой то же. Если точка Мо не является точкой распрямления кривой у» fciM/О.то формулой определен единичный вектор главной нормали кривой в этой точке. Векторное произведение является единичным вектором бинормали кривой у (рис. 34). В случае произвольнойпараметризаци и векторы t, п и b вычисляются по формулам Три луча, исходящие из точки М0 и имеющие направления, задаваемые векторами to, по и bo, образуют сопровождающий триэдр кривой у в точке Мо (рис. 34). Пример 3. Для винтовой линии b(,)= Обозначим через Д в наименьший угол между соприкасающимися плоскостями По и П кривой 7 в точке Мо и близкой ей точке М соответственно (этот угол совпадает с наименьшим углом ме.жду бинормалями кривой в точках А/о и М), а через Дз — длину дуги ^MqM кривой 7 (рис. 35). Кручением к2 кривой 7 в точке М0 называется предел отношения ^ при , снабженный знаком в соответствии со следующим правилом выбора знаков: если векторы сонаправлены (они всегда коллинеарны), то выбирается знак (вращение соприкасающейся плоскости происходит от вектора п к вектору если векторы ип противоположно направлены, то выбирается знак « + » (вращение соприкасающейся плоскости происходит от вектора b к вектору п) (рис. 36). Кручение кривой определено в любой точке 3-регулярной кривой, не являющейся точкой распрямления, и измеряет скорость отклонения кривой от соприкасающейся плоскости. Кручение плоской кривой равно нулю в каждой точке. Если Кривизна и кручение пространственной кривой Формулы Френе понятие гладкой поверхности Способы задания — естественная параметризация кривой, то ее кручение вычисляется по формуле В случае произвольной параметризации имеем Пример 4. Возможно вам будут полезны данные страницы: Вектор Дарбу является вектором мгновенной угловой скорости сопровождающего трехгранника при движении точки по кривой с единичной скоростью. Пример 8. Вектор Дарбу винтовой линии •параллелен оси винтовой линии (рис. 37). Единичные векторы касательной главной нормали п(«) и бинормали b(e) кривой 7 и ее кривизна к\(в) и кручение ki(a) в каждой точке связаны соотно шениями называемыми уравнениями Френе. « Выберем в пространстве прямоугольную декартову координ етную систему Охух так, чтобы начало координат — точка О — совпадало с точкой Мо кривой 7, отвечающей энрч ению «о = 0 естественного параметра, а ортами координатных осей Ох, Оу и Ох были единичные векторы Раскладывая векторную функцию г(в) в окрестности точки «о = 0 по степеням * и сохраняя лишь главные члены, получимуравнения кривойблизкой кривой 7: Где Записывая последние соотношения в координатной форме и предполагая , убеждаемся в том, что проекции кривой общий вид которой показан на.рис.38, на координатные плоскости имеют следующий вид (рис. 39): на соприкасающуюся плоскость (рис. 39 а); на спрямляющую плоскость (рис. 39 б); на нормальную плоскость (рис. 39в). §5. Понятие гладкой поверхности. Способы задания Пусть I? — ограниченная плоская область, 0D — ее граница и I) = D U 6D — оамыка ние области Д, Введем на плоскости координатную систему (u, v) и зададим на множестве Ъ три непрерывные функции с Пусть ж прямоугольные декартовы координаты точек в трехмерном евклидовом пространстве R3. обладают следующим свойством: Сюйстю А. Если — различные точки множества!?» тоточки пространства R1, координаты которых вычисляются по формулам также различны. Определение. Множество 5 точек Af, координаты у и * которых определяются соотношениями (1) и функции ) обладают свойством А, называется простой поверхностью (рис. Множество точек М с координатами , — образ границы QD области D — называется границей простой поверхности 5. Соотношения (1) называются параметрическими уравнениями простой поверхно- сти. . Пример 1. График непрерывной функции является примером простой поверхности (рис. 41). Ее параметрические уравнения имеют вид одеФяап ып яктеодг — Пусть I, J и к — орты координатных осей. Тогда задание поверхности 5 при помощи фунхиий (1) равносильно заданию одной векторной функции — В этом случае говорят, что поверхность S задана векторным уравнением. Простая поверхность 5 называется гладкой в точке Мо, отвечающей значениям и параметров, если функции имеют д точке («о, ^ непрерывныепроизводные. v Точка Ма гладкой поверхности 5 называется обыкновенной, или регулярной, если В противном случае точк!» А/о называется особой. , Поверхность называется регулярной, если условие (3) выполняется в каждой ее точке. Часто условие (3) удобнее записывать в равносильной форме Пример 2. График гладкой функции является регулярной поверхностью, так как всегда Пример 3. У конической поверхности, задаваемой уравнениями все точки, кроме точки 0(0,0,0) (при и = 0, v — 0), регулярна (рис.42). В точке О имеем Другим распространенным способом задания поверхности является неявный способ задания поверхности какмножества 5 точек М .координаты х,уиг которых обращают в тождество уравнение Кривизна и кручение пространственной кривой Формулы Френе понятие гладкой поверхности Способы задания Если гладкая фунщия своих аргументов, причем , то поверхность 5 будет регулярной. Пример 4. Сфера является регулярной поверхностью: в каждой точке. Пусть 5 — простая поверхность, Мо и М — различные ее точки. Плоскость П, проходящая через точку Мо, называется касательной к поверхности 5 в точке Мо, если при стремлении переменной точки М к точке Мо (по произвольному закону) угол между прямой МоМ и плоскостью П сгремится к нулю (рис. 43). Пусть — векторное уравнение регулярной поверхности 5 и М0 — точка поверхности 5, отвечающая значениях! ио и v0 параметров и и v. Вычислим векторы ru(uo, vo) и г„(и0, vo), отложим их от точен Мо и проведем через точку Мо плоскость П, содержащую эти векторы. Построенная плоскость П будет касательной плоскостью поверхности в точке М0 (рис. 44), В каждой точке регулярной поверхности существует и притом ровно одна касательная плоскость. Прямая, проходящая через точку Мо регулярной поверхности 5 и пер-пендакулярная касательной плоскости поверхности в этой точке, называется нормалью к поверхности 5 в точке М0; — вектор нормали. Рнс. 44 Пример S. Написать уравнения касательной плоскости и нормали поверхности, заданной уравнением Вычислим вектор нормали в точке Л/о- Имеем равнение касательной плоскости поверхности в точке (х Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔ Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института. Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды. Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги. http://univerlib.com/mathematical_analysis/derivative/normal_plane/ http://natalibrilenova.ru/krivizna-i-kruchenie-prostranstvennoj-krivoj-formulyi-frene-/
$$
\Gamma=<\textbf
$$
где
$$
\textbf
$$
\(t_<0>\in[\alpha,\beta]\), \(\overrightarrow
$$
(\textbf
$$
или
$$
(x-x(t_<0>))x'(t_0)+(y-y(t_<0>))y'(t_<0>)+(z-z(t_0))z'(t_0)=0.\nonumber
$$Главная нормаль.
$$
\frac,\label
$$
$$
\frac″(t)-s″(t)\textbf
$$
$$
\frac=\frac<\textbf.\nonumber
$$
Используя формулу \eqref
$$
\frac\right)\frac<1>=\left(\frac<\textbf-\frac‘(t)><(s(t))^<2>>\right)\frac<1>,\nonumber
$$
откуда следует формула \eqref
$$
\frac
$$
и поэтому (см. данный пример) вектор \(\displaystyle \frac
$$
\frac
$$
причем вектор \(\nu\) ортогонален вектору \(\tau\).Кривизна и кручение пространственной кривой. Формулы Френе
Кручение винтовой линии постоянно
Предположим, что функции (1) Овоаиечение: