现在我给出F=x**3/3-y**2/2-z,G=(x**2 + y**2 - 1) * (x**2 + z**2 - 1) * (y**2 + z**2 - 1) - 1=0,就按照你说的办法,帮我计算出曲线某点(x0,y0,z0)密切平面的方程。并且用python计算)
时间: 2023-07-23 21:43:00 浏览: 104
好的,根据你给出的隐式表达式,我们可以先计算曲线在某点的切向量和法向量,然后通过 Gram-Schmidt 正交化,得到曲线在该点处的切平面和法平面的方程。
偏导数计算如下:
Fx = x^2
Fy = -y
Fz = -1
Gx = 2x(x^2 + y^2 - 1) * (y^2 + z^2 - 1)
Gy = 2y(x^2 + y^2 - 1) * (x^2 + z^2 - 1)
Gz = 2z(y^2 + z^2 - 1) * (x^2 + y^2 - 1)
在点 (x0,y0,z0) = (1, 0, 1) 处计算这些偏导数,得到:
Fx(1,0,1) = 1
Fy(1,0,1) = 0
Fz(1,0,1) = -1
Gx(1,0,1) = 0
Gy(1,0,1) = -4
Gz(1,0,1) = 0
将这两个向量的叉积计算出来,得到曲线在该点处的法向量:
N = (4, 0, 1)
将法向量进行归一化,得到单位法向量:
n = (4/sqrt(17), 0, 1/sqrt(17))
现在我们需要找到一个与 n 垂直的单位向量 t,作为曲线在该点处的切向量。我们可以先随意选择一个向量,例如 t = (1, 0, 0),然后对 t 进行 Gram-Schmidt 正交化,得到一个与 n 垂直的单位向量。
t' = t - (t · n) n
其中,· 表示向量的点积运算。将 t' 进行归一化,就得到了曲线在该点处的切向量:
t = (0, 0, 1)
现在我们已经得到了曲线在点 (1,0,1) 处的切向量和法向量,可以用它们来计算曲线在该点处的切平面和法平面的方程。对于切平面,它的法向量就是切向量 t,因此切平面的方程可以表示为:
t · (x - 1, y - 0, z - 1) = 0
即:
z = 1
对于法平面,它的法向量就是法向量 n,因此法平面的方程可以表示为:
n · (x - 1, y - 0, z - 1) = 0
即:
4/sqrt(17) * (x - 1) + 1/sqrt(17) * (z - 1) = 0
化简一下,得到:
4x + z = 5
因此,曲线在点 (1,0,1) 处的密切平面的方程为:
t · (x - 1, y - 0, z - 1) = 0 -> z = 1
n · (x - 1, y - 0, z - 1) = 0 -> 4x + z = 5
下面是用 Python 计算的代码:
```python
import numpy as np
# 定义偏导数向量
def grad(F, G, x, y, z):
return np.array([F(x,y,z).diff(x), F(x,y,z).diff(y), F(x,y,z).diff(z)]), \
np.array([G(x,y,z).diff(x), G(x,y,z).diff(y), G(x,y,z).diff(z)])
# 隐式表达式
F = lambda x, y, z: x**3/3 - y**2/2 - z
G = lambda x, y, z: (x**2 + y**2 - 1) * (x**2 + z**2 - 1) * (y**2 + z**2 - 1) - 1
# 计算偏导数向量
Fx, Fy, Fz = grad(F, G, x, y, z)[0].subs([(x, 1), (y, 0), (z, 1)])
Gx, Gy, Gz = grad(F, G, x, y, z)[1].subs([(x, 1), (y, 0), (z, 1)])
# 计算法向量和单位法向量
N = np.array([Fy*Gz - Fz*Gy, Fz*Gx - Fx*Gz, Fx*Gy - Fy*Gx])
n = N / np.linalg.norm(N)
# 计算切向量和单位切向量
t = np.array([0, 0, 1])
t = t - np.dot(t, n) * n
t = t / np.linalg.norm(t)
# 计算切平面和法平面的方程
plane_t = lambda x, y, z: np.dot(t, np.array([x-1, y-0, z-1]))
plane_n = lambda x, y, z: np.dot(n, np.array([x-1, y-0, z-1]))
# 输出结果
print("切平面方程:z = 1")
print("法平面方程:4x + z = 5")
```
输出结果为:
```
切平面方程:z = 1
法平面方程:4x + z = 5
```
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