В некоторой точке и имеет в ней непрерывные частные производные, по крайней мере одна из которых не обращается в нуль, то в окрестности этой точки поверхность, заданная уравнением (1), будет правильной поверхностью .
Помимо указанного выше неявного способа задания
поверхность может быть определена явно
, если одну из переменных, например z, можно выразить через остальные:
Также существует параметрический
способ задания. В этом случае поверхность определяется системой уравнений:
Понятие о простой поверхности
Более точно, простой поверхностью называется образ гомеоморфного отображения (то есть взаимно однозначного и взаимно непрерывного отображения) внутренности единичного квадрата. Этому определению можно дать аналитическое выражение.
Пусть на плоскости с прямоугольной системой координат u и v задан квадрат , координаты внутренних точек которого удовлетворяют неравенствам 0 < u < 1, 0 < v < 1. Гомеоморфный образ квадрата в пространстве с прямоугольной системой координат х, у, z задаётся при помощи формул х = x(u, v), у = y(u, v), z = z(u, v) (параметрическое задание поверхности). При этом от функций x(u, v), y(u, v) и z(u, v) требуется, чтобы они были непрерывными и чтобы для различных точек (u, v) и (u", v") были различными соответствующие точки (x, у, z) и (x", у", z").
Примером простой поверхности является полусфера. Вся же сфера не является простой поверхностью . Это вызывает необходимость дальнейшего обобщения понятия поверхности.
Подмножество пространства, у каждой точки которого есть окрестность, являющаяся простой поверхностью , называется правильной поверхностью .
Поверхность в дифференциальной геометрии
Геликоид
Катеноид
Метрика не определяет однозначно форму поверхности. Например, метрика геликоида и катеноида , параметризованных соответствующим образом, совпадает, то есть между их областями существует соответствие, сохраняющее все длины (изометрия). Свойства, сохраняющиеся при изометрических преобразованиях, называются внутренней геометрией поверхности. Внутренняя геометрия не зависит от положения поверхности в пространстве и не меняется при её изгибании без растяжения и сжатия (например, при изгибании цилиндра в конус).
Метрические коэффициенты определяют не только длины всех кривых, но и вообще результаты всех измерений внутри поверхности (углы, площади, кривизна и др.). Поэтому всё, что зависит только от метрики, относится к внутренней геометрии.
Нормаль и нормальное сечение
Векторы нормали в точках поверхности
Одной из основных характеристик поверхности является её нормаль - единичный вектор, перпендикулярный касательной плоскости в заданной точке:
.
Знак нормали зависит от выбора координат.
Сечение поверхности плоскостью, содержащей нормаль (в данной точке), образует некоторую кривую на поверхности, которая называется нормальным сечением поверхности. Главная нормаль для нормального сечения совпадает с нормалью к поверхности (с точностью до знака).
Если же кривая на поверхности не является нормальным сечением, то её главная нормаль образует с нормалью поверхности некоторый угол θ . Тогда кривизна k кривой связана с кривизной k n нормального сечения (с той же касательной) формулой Мёнье :
Координаты орта нормали для разных способов задания поверхности приведены в таблице:
| Координаты нормали в точке поверхности | |
|---|---|
| неявное задание |  |
| явное задание |  |
| параметрическое задание |  |
Кривизна
Для разных направлений в заданной точке поверхности получается разная кривизна нормального сечения, которая называется нормальной кривизной ; ей приписывается знак плюс, если главная нормаль кривой идёт в том же направлении, что и нормаль к поверхности, или минус, если направления нормалей противоположны.
Вообще говоря, в каждой точке поверхности существуют два перпендикулярных направления e 1 и e 2 , в которых нормальная кривизна принимает минимальное и максимальное значения; эти направления называются главными . Исключение составляет случай, когда нормальная кривизна по всем направлениям одинакова (например, у сферы или на торце эллипсоида вращения), тогда все направления в точке - главные.
Поверхности с отрицательной (слева), нулевой (в центре) и положительной (справа) кривизной.
Нормальные кривизны в главных направлениях называются главными кривизнами ; обозначим их κ 1 и κ 2 . Величина:
K = κ 1 κ 2называется гауссовой кривизной , полной кривизной или просто кривизной поверхности. Встречается также термин скаляр кривизны , который подразумевает результат свёртки тензора кривизны ; при этом скаляр кривизны вдвое больше, чем гауссова кривизна.
Гауссова кривизна может быть вычислена через метрику, и поэтому она является объектом внутренней геометрии поверхностей (отметим, что главные кривизны к внутренней геометрии не относятся). По знаку кривизны можно классифицировать точки поверхности (см. рисунок). Кривизна плоскости равна нулю. Кривизна сферы радиуса R всюду равна . Существует и поверхность постоянной отрицательной кривизны - псевдосфера .
Геодезические линии, геодезическая кривизна
Кривая на поверхности называется геодезической линией , или просто геодезической , если во всех её точках главная нормаль к кривой совпадает с нормалью к поверхности. Пример: на плоскости геодезическими будут прямые и отрезки прямых, на сфере - большие круги и их отрезки.
Эквивалентное определение: у геодезической линии проекция её главной нормали на соприкасающуюся плоскость есть нулевой вектор. Если кривая не является геодезической, то указанная проекция ненулевая; её длина называется геодезической кривизной k g кривой на поверхности. Имеет место соотношение:
,
где k - кривизна данной кривой, k n - кривизна её нормального сечения с той же касательной.
Геодезические линии относятся к внутренней геометрии. Перечислим их главные свойства.
- Через данную точку поверхности в заданном направлении проходит одна и только одна геодезическая.
- На достаточно малом участке поверхности две точки всегда можно соединить геодезической, и притом только одной. Пояснение: на сфере противоположные полюса соединяет бесконечное количество меридианов, а две близкие точки можно соединить не только отрезком большого круга, но и его дополнением до полной окружности, так что однозначность соблюдается только в малом.
- Геодезическая является кратчайшей. Более строго: на малом куске поверхности кратчайший путь между заданными точками лежит по геодезической.
Площадь
Ещё один важный атрибут поверхности - её площадь , которая вычисляется по формуле:
1°
1°. Уравнения касательной плоскости и нормали для случая явного задания поверхности.
Рассмотрим одно из геометрических приложений частных производных функции двух переменных. Пусть функция z = f (x ; y ) дифференцируема в точке (x 0 ; у 0) некоторой области D Î R 2 . Рассечем поверхность S , изображающую функцию z, плоскостями х = х 0 и у = у 0 (рис. 11).
Плоскость х = x 0 пересекает поверхность S по некоторой линии z 0 (y ), уравнение которой получается подстановкой в выражение исходной функции z = =f (x ; y ) вместо х числа x 0 . Точка M 0 (x 0 ; y 0, f (x 0 ; y 0)) принадлежит кривой z 0 (y ). В силу дифференцируемой функции z в точке М 0 функция z 0 (y ) также является дифференцируемой в точке у =у 0 . Следовательно, в этой точке в плоскости х = х 0 к кривой z 0 (y ) может быть проведена касательная l 1 .
Проводя аналогичные рассуждения для сечения у = у 0 , построим касательную l 2 к кривой z 0 (x ) в точке х = x 0 - Прямые 1 1 и 1 2 определяют плоскость , которая называется касательной плоскостью к поверхности S в точке М 0 .
Составим ее уравнение. Так как плоскость проходит через точку Mo (x 0 ; y 0 ; z 0), то ее уравнение может быть записано в виде
А(х - хо) + В(у - уо) + C (z - zo ) = 0,
которое можно переписать так:
z -z 0 = A 1 (x – х 0) + B 1 (y – у 0) (1)
(разделив уравнение на -С и обозначив 
).
Найдем A 1 и B 1 .
Уравнения касательных 1 1 и 1 2 имеют вид
соответственно.
Касательная l 1 лежит в плоскости a , следовательно, координаты всех точек l 1 удовлетворяют уравнению (1). Этот факт можно записать в виде системы
Разрешая эту систему относительно B 1 , получим, что .Проводя аналогичные рассуждения для касательной l 3 , легко установить, что .
Подставив значения А 1 и B 1 в уравнение (1), получаем искомое уравнение касательной плоскости:
Прямая, проходящая через точку М 0 и перпендикулярная касательной плоскости, построенной в этой точке поверхности, называется еенормалью.
Используя условие перпендикулярности прямой и плоскости, легко получить канонические уравнения нормали:
Замечание. Формулы касательной плоскости и нормали к поверхности получены для обыкновенных, т. е. не особых, точек поверхности. Точка М 0 поверхности называется особой, если в этой точке все частные производные равны нулю или хотя бы одна из них не существует. Такие точки мы не рассматриваем.
Пример. Написать уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности в ее точке М(2; -1; 1).
Решение. Найдем частные производные данной функции и их значения в точке М
Отсюда, применяя формулы (2) и (3), будем иметь: z-1=2(х-2)+2(у+1)
или 2х+2у-z-1=0
- уравнение касательной плоскости и 
- уравнения нормали.
2°. Уравнения касательной плоскости и нормали для случая неявного задания поверхности.
Если поверхность S задана уравнением F (x ; у; z ) = 0, то уравнения (2) и (3), с учетом того, что частные производные могут быть найдены как производные неявной функции.
Графиком функции 2-х переменных z = f(x,y) является поверхность, проектирующаяся на плоскость XOY в область определения функции D.
Рассмотрим поверхность σ
, заданную уравнением z = f(x,y) , где f(x,y) – дифференцируемая функция, и пусть M 0 (x 0 ,y 0 ,z 0) – фиксированная точка на поверхности σ , т.е. z 0 = f(x 0 ,y 0).
Назначение
. Онлайн-калькулятор предназначен для нахождения уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности
. Решение оформляется в формате Word
. Если необходимо найти уравнение касательной к кривой (y = f(x)), то необходимо использовать данный сервис .
Правила ввода функций :
Правила ввода функций :
- Все переменные выражаются через x,y,z
Касательной плоскостью к поверхности
σ
в её точке М
0 называется плоскость, в которой лежат касательные ко всем кривым, проведённым на поверхности σ
через точку М
0 .
Уравнение касательной плоскости к поверхности, заданной уравнением z = f(x,y) , в точке M 0 (x 0 ,y 0 ,z 0) имеет вид:
z – z 0 = f’ x (x 0 ,y 0)(x – x 0) + f’ y (x 0 ,y 0)(y – y 0)
Вектор называется вектором нормали к поверхности σ в точке М 0 . Вектор нормали перпендикулярен касательной плоскости.
Нормалью к поверхности σ в точке М 0 называется прямая, проходящая через эту точку и имеющая направление вектора N.
Канонические уравнения нормали к поверхности, заданной уравнением z = f(x,y) , в точке M 0 (x 0 ,y 0 ,z 0), где z 0 = f(x 0 ,y 0), имеют вид:
Пример №1
. Поверхность задана уравнением x 3 +5y . Найти уравнение касательной плоскости к поверхности в точке M 0 (0;1).
Решение
. Запишем уравнения касательной в общем виде: z - z 0 = f" x (x 0 ,y 0 ,z 0)(x - x 0) + f" y (x 0 ,y 0 ,z 0)(y - y 0)
По условию задачи x 0 = 0 , y 0 = 1 , тогда z 0 = 5
Найдем частные производные функции z = x^3+5*y:
f" x (x,y) = (x 3 +5 y)" x = 3 x 2
f" x (x,y) = (x 3 +5 y)" y = 5
В точке М 0 (0,1) значения частных производных:
f" x (0;1) = 0
f" y (0;1) = 5
Пользуясь формулой, получаем уравнение касательной плоскости к поверхности в точке М 0: z - 5 = 0(x - 0) + 5(y - 1) или -5 y+z = 0
Пример №2
. Поверхность задана неявным образом y 2 -1/2*x 3 -8z. Найти уравнение касательной плоскости к поверхности в точке M 0 (1;0;1).
Решение
. Находим частные производные функции . Поскольку функция задана в неявном виде, то производные ищем по формуле:
Для нашей функции:
Тогда:
В точке М 0 (1,0,1) значения частных производных:
f" x (1;0;1) = -3 / 16
f" y (1;0;1) = 0
Пользуясь формулой, получаем уравнение касательной плоскости к поверхности в точке М 0: z - 1 = -3 / 16 (x - 1) + 0(y - 0) или 3 / 16 x+z- 19 / 16 = 0
Пример
. Поверхность σ
задана уравнением z
= y/x + xy
– 5x
3 . Найти уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности σ
в точке М
0 (x
0 , y
0 , z
0), принадлежащей ей, если x
0 = –1, y
0 = 2.
Найдем частные производные функции z
= f
(x
, y
) = y/x + xy
– 5x
3:
f x ’(x
, y
) = (y/x + xy
– 5x
3)’ x = – y/x 2 + y
– 15x
2 ;
f y ’ (x
, y
) = (y/x + xy
– 5x
3)’ y = 1/x + x
.
Точка М
0 (x
0 , y
0 , z
0) принадлежит поверхности σ
, поэтому можно вычислить z
0 , подставив заданные x
0 = –1 и y
0 = 2 в уравнение поверхности:
z = y/x + xy – 5x 3
z 0 = 2/(-1) + (–1) 2 – 5 (–1) 3 = 1.В точке М 0 (–1, 2, 1) значения частных производных:
f x ’(М 0) = –1/(-1) 2 + 2 – 15(–1) 2 = –15; f y ’(М 0) = 1/(-1) – 1 = –2.
Пользуясь формулой (5) получаем уравнение касательной плоскости к поверхности σ в точке М 0:
z – 1= –15(x + 1) – 2(y – 2) z – 1= –15x – 15 – 2y + 4 15x + 2y + z + 10 = 0.
Пользуясь формулой (6) получаем канонические уравнения нормали к поверхности σ в точке М 0:
.
Ответы: уравнение касательной плоскости: 15x + 2y + z + 10 = 0; уравнения нормали:
.
Пример №1
. Дана функция z=f(x,y) и две точки А(х 0 , y 0) и В(х 1 ,y 1). Требуется: 1) вычислить значение z 1 функции в точке В; 2) вычислить приближенное значение z 1 функции в точке В исходя из значения z 0 функции в точке А, заменив приращение функции при переходе от точки А к точке В дифференциалом; 3) составить уравнение касательной плоскости к поверхности z = f(x,y) в точке C(x 0 ,y 0 ,z 0).
Решение.
Запишем уравнения касательной в общем виде:
z - z 0 = f" x (x 0 ,y 0 ,z 0)(x - x 0) + f" y (x 0 ,y 0 ,z 0)(y - y 0)
По условию задачи x 0 = 1, y 0 = 2, тогда z 0 = 25
Найдем частные производные функции z = f(x,y)x^2+3*x*y*+y^2:
f" x (x,y) = (x 2 +3 x y +y 2)" x = 2 x+3 y 3
f" x (x,y) = (x 2 +3 x y +y 2)" y = 9 x y 2
В точке М 0 (1,2) значения частных производных:
f" x (1;2) = 26
f" y (1;2) = 36
Пользуясь формулой, получаем уравнение касательной плоскости к поверхности в точке М 0:
z - 25 = 26(x - 1) + 36(y - 2)
или
-26 x-36 y+z+73 = 0
Пример №2 . Написать уравнения касательной плоскости и нормали к эллиптическому параболоиду z = 2x 2 + y 2 в точке (1;-1;3).
А именно, о том, что вы видите в заголовке. По существу, это «пространственный аналог» задачи нахождения касательной и нормали к графику функции одной переменной, и поэтому никаких трудностей возникнуть не должно.
Начнём с базовых вопросов: ЧТО ТАКОЕ касательная плоскость и ЧТО ТАКОЕ нормаль? Многие осознают эти понятия на уровне интуиции. Самая простая модель, приходящая на ум – это шар, на котором лежит тонкая плоская картонка. Картонка расположена максимально близко к сфере и касается её в единственной точке. Кроме того, в точке касания она закреплена торчащей строго вверх иголкой.
В теории существует довольно остроумное определение касательной плоскости. Представьте произвольную поверхность и принадлежащую ей точку . Очевидно, что через точку проходит много пространственных линий , которые принадлежат данной поверхности. У кого какие ассоциации? =) …лично я представил осьминога. Предположим, что у каждой такой линии существует пространственная касательная в точке .
Определение 1 : касательная плоскость к поверхности в точке – это плоскость , содержащая касательные ко всем кривым, которые принадлежат данной поверхности и проходят через точку .
Определение 2 : нормаль к поверхности в точке – это прямая , проходящая через данную точку перпендикулярно касательной плоскости.
Просто и изящно. Кстати, чтобы вы не померли со скуки от простоты материала, чуть позже я поделюсь с вами одним изящным секретом, который позволяет РАЗ И НАВСЕГДА забыть о зубрёжке различных определений.
С рабочими формулами и алгоритмом решения познакомимся прямо на конкретном примере. В подавляющем большинстве задач требуется составить и уравнение касательной плоскости, и уравнения нормали:
Пример 1
Решение
:если поверхность задана уравнением (т.е. неявно)
, то уравнение касательной плоскости к данной поверхности в точке можно найти по следующей формуле:
Особое внимание обращаю на необычные частные производные – их не следует путать
с частными производными неявно заданной функции
(хотя поверхность задана неявно)
. При нахождении этих производных нужно руководствоваться правилами дифференцирования функции трёх переменных
, то есть, при дифференцировании по какой-либо переменной, две другие буквы считаются константами:
Не отходя от кассы, найдём частную производную в точке:
Аналогично:
Это был самый неприятный момент решения, в котором ошибка если не допускается, то постоянно мерещится. Тем не менее, здесь существует эффективный приём проверки, о котором я рассказывал на уроке Производная по направлению и градиент .
Все «ингредиенты» найдены и теперь дело за аккуратной подстановкой с дальнейшими упрощениями:
– общее уравнение
искомой касательной плоскости.
Настоятельно рекомендую проконтролировать и этот этап решения. Сначала нужно убедиться, что координаты точки касания действительно удовлетворяют найденному уравнению:
– верное равенство.
Теперь «снимаем» коэффициенты общего уравнения плоскости и проверяем их на предмет совпадения либо пропорциональности с соответствующими значениями . В данном случае пропорциональны. Как вы помните из курса аналитической геометрии
, – это вектор нормали
касательной плоскости, и он же – направляющий вектор
нормальной прямой. Составим канонические уравнения
нормали по точке и направляющему вектору :
В принципе, знаменатели можно сократить на «двойку», но особой надобности в этом нет
Ответ :
Уравнения не возбраняется обозначить какими-нибудь буквами, однако, опять же – зачем? Здесь и так предельно понятно, что к чему.
Следующие два примера для самостоятельного решения. Небольшая «математическая скороговорка»:
Пример 2
Найти уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности в точке .
И задание, интересное с технической точки зрения:
Пример 3
Составить уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности в точке
В точке .
Тут есть все шансы не только запутаться, но и столкнуться с трудностями при записи канонических уравнений прямой . А уравнения нормали, как вы, наверное, поняли, принято записывать именно в таком виде. Хотя, по причине забывчивости либо незнания некоторых нюансов более чем приемлема и параметрическая форма.
Примерные образцы чистового оформления решений в конце урока.
В любой ли точке поверхности существует касательная плоскость? В общем случае, конечно же, нет. Классический пример – это коническая поверхность
и точка – касательные в этой точке непосредственно образуют коническую поверхность, и, разумеется, не лежат в одной плоскости. В неладах легко убедиться и аналитически: .
Другим источником проблем является факт несуществования какой-либо частной производной в точке. Однако это ещё не значит, что в данной точке нет единой касательной плоскости.
Но то была, скорее, научно-популярная, нежели практически значимая информация, и мы возвращаемся к делам насущным:
Как составить уравнения касательной плоскости и нормали в точке,
если поверхность задана явной функцией
?
Перепишем её в неявном виде :
И по тем же принципам найдём частные производные:
Таким образом, формула касательной плоскости трансформируется в следующее уравнение:
И соответственно, канонические уравнения нормали:
Как нетрудно догадаться, 
– это уже «настоящие» частные производные функции двух переменных
в точке , которые мы привыкли обозначать буквой «зет» и находили 100500 раз.
Заметьте, что в данной статье достаточно запомнить самую первую формулу, из которой в случае необходимости легко вывести всё остальное (понятно, обладая базовым уровнем подготовки) . Именно такой подход следует использовать в ходе изучения точных наук, т.е. из минимума информации надо стремиться «вытаскивать» максимум выводов и следствий. «Соображаловка» и уже имеющиеся знания в помощь! Этот принцип полезен ещё и тем, что с большой вероятностью спасёт в критической ситуации, когда вы знаете очень мало.
Отработаем «модифицированные» формулы парой примеров:
Пример 4
Составить уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности 
в точке .
Небольшая тут накладка получилась с обозначениями – теперь буква обозначает точку плоскости , но что поделать – такая уж популярная буква….
Решение
: уравнение искомой касательной плоскости составим по формуле:
Вычислим значение функции в точке :
Вычислим частные производные 1-го порядка
в данной точке:
Таким образом:
аккуратно, не спешим:
Запишем канонические уравнения нормали в точке :
Ответ :
И заключительный пример для самостоятельного решения:
Пример 5
Составить уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности в точке .
Заключительный – потому, что фактически все технические моменты я разъяснил и добавить особо нечего. Даже сами функции, предлагаемые в данном задании, унылы и однообразны – почти гарантированно на практике вам попадётся «многочлен», и в этом смысле Пример №2 с экспонентой смотрится «белой вороной». Кстати, гораздо вероятнее встретить поверхность, заданную уравнением и это ещё одна причина, по которой функция вошла в статью «вторым номером».
И напоследок обещанный секрет: так как же избежать зубрёжки определений? (я, конечно, не имею в виду ситуацию, когда студент что-то лихорадочно зубрит перед экзаменом)
Определение любого понятия/явления/объекта, прежде всего, даёт ответ на следующий вопрос: ЧТО ЭТО ТАКОЕ? (кто/такая/ такой/такие) . Осознанно отвечая на данный вопрос, вы должны постараться отразить существенные признаки, однозначно идентифицирующие то или иное понятие/явление/объект. Да, поначалу это получается несколько косноязычно, неточно и избыточно (препод поправит =)), но со временем развивается вполне достойная научная речь.
Потренируйтесь на самых отвлечённых объектах, например, ответьте на вопрос: кто такой Чебурашка? Не так-то всё просто;-) Это «сказочный персонаж с большими ушами, глазами и коричневой шерстью»? Далеко и очень далеко от определения – мало ли существует персонажей с такими характеристиками…. А вот это уже гораздо ближе к определению: «Чебурашка – это персонаж, придуманный писателем Эдуардом Успенским в 1966 г, который …(перечисление основных отличительных признаков)» . Обратите внимание, как грамотно начата
Скачать с Depositfiles
4. ТЕОРИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ.
4.1 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ.
Поверхность в трёхмерном пространстве может быть задана:
1) неявно: F ( x , y , z ) =0 (4.1)
2) явно: z = f ( x , y ) (4.2)
3) параметрически: (4.3)
или: 
(4.3’)
где скалярные аргументы 
иногда называют криволинейными координатами. Например, сферу 
удобно задавать в сферических координатах: 
.
4.2 КАСАТЕЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ И НОРМАЛЬ К ПОВЕРХНОСТИ.
Если линия лежит на поверхности (4.1), то координаты её точек удовлетворяют уравнению поверхности:
Дифференцируя это тождество, получим:
(4.4)
или 
(4.4
’
)
в каждой точке кривой на поверхности. Таким образом, вектор градиента в неособых точках поверхности (в которых функция (4.5) дифференцируема и 
) перпендикулярен касательным векторам к любым линиям на поверхности, т.е может быть использован в качестве вектора нормали для составления уравнения касательной плоскости в точке М
0
(x
0
,
y
0
,
z
0
) поверхности
(4.6)
и в качестве направляющего вектора в уравнении нормали:
(4.7)
В случае явного (4.2) задания поверхности уравнения касательной плоскости и нормали соответственно примут вид:
(4.8)
и
(4.9)
При параметрическом представлении поверхности (4.3) векторы 
лежат в касательной плоскости и уравнение касательной плоскости может быть записано в виде:
(4.10)
а в качестве направляющего вектора нормали может быть принято их векторное произведение:
и уравнение нормали может быть записано в виде:
(4.11)
где 
— значения параметров соответствующие точке М
0
.
В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением лишь таких точек поверхности, где векторы
не равны нулю и не параллельны.
Пример 4.1
Составить уравнения касательной плоскости и нормали в точке М
0
(1,1,2) к поверхности параболоида вращения 
.
Решение: Так как уравнение параболоида задано в явном виде, то согласно (4.8) и (4.9) нужно найти 
в точке М
0
:
, а в точке М
0
. Тогда уравнение касательной плоскости в точке М
0
примет вид:
2(x
-1)+2(y
-1)-(z
-2)=0 или 2
x
+2
y
–
z
‑ 2=0, а уравнение нормали 
.
Пример 4.2
Составить уравнения касательной плоскости и нормали в произвольной точке геликоида 
, .
Решение. Здесь ,
Уравнение касательной плоскости:
или
Уравнения нормали:
.
4.3 ПЕРВАЯ КВАДРАТИЧНАЯ ФОРМА ПОВЕРХНОСТИ.
Если поверхность задается уравнением
то кривая 
на ней может быть задана уравнением 
(4.12)
Дифференциал радиус-вектора 
вдоль кривой, отвечающий смещению из точки М
0
в близлежащую точку М, равен
(4.13)
Так как 
— дифференциал дуги кривой, отвечающий тому же смещению), то
(4.14)
где .
Выражение в правой части (4.14) называется первой квадратичной формой поверхности и играет в теории поверхностей огромную роль.
Интегрирую дифференциал ds в пределах от t 0 (соответствует точке М 0 ) до t (соответствует точке М), получим длину соответствующего отрезка кривой
(4.15)
Зная первую квадратичную форму поверхности, можно находить не только длины, но и углы между кривыми.
Если
du
,
dv
— дифференциалы криволинейных координат, отвечающие бесконечно малому смещению по одной кривой, а 
— по другой, то с учетом (4.13):
(4.16)
С помощью формулы
(4.17)
первая квадратичная форма дает возможность вычислить площадь области 
поверхности.
Пример 4.3
На геликоиде , найти длину винтовой линии 
между двумя точками .
Решение. Поскольку на винтовой линии 
, то . Найдём в точке 
первую квадратичную форму. Обозначив и
v
=
t
,
получим уравнение данной винтовой линии в виде . Квадратичная форма:
= ‑ первая квадратичная форма.
Здесь . В формуле (4.15) в данном случае 
и длина дуги:
=
4.4 ВТОРАЯ КВАДРАТИЧНАЯ ФОРМА ПОВЕРХНОСТИ.
Обозначим 
‑ единичный вектор нормали к поверхности 
:
(4.18)
.
(4.23)
Линия на поверхности называется линией кривизны, если ее направление в каждой точке является главным направлением.
4.6 ПОНЯТИЕ О ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ НА ПОВЕРХНОСТИ.
Определение 4.1
. Кривая на поверхности называется геодезической, если ее главная нормаль 
в каждой точке, где кривизна отлична от нуля, совпадает с нормалью 
к поверхности.
Через каждую точку поверхности в любом направлении проходит, и при том только одна геодезическая. На сфере, например, геодезическими являются большие круги.
Параметризация поверхности называется полугеодезической, если одно семейство координатных линий состоит из геодезических, а второе ему ортогонально. Например, на сфере меридианы (геодезические) и параллели.
Геодезическая на достаточно малом отрезке является кратчайшей среди всех близких к ней кривых, соединяющих те же точки.
