題目
Problem
Let C C C be the curve of intersection of surfaces x y + y z + z x = − 14 xy + yz + zx = -14 x y + y z + z x = − 14 and x 2 + y 2 + z 2 = 29 x^2 + y^2 + z^2 = 29 x 2 + y 2 + z 2 = 29 .
The tangent line of curve C C C at point ( 2 , 3 , − 4 ) (2, 3, -4) ( 2 , 3 , − 4 ) is given by x − 2 a = y − 3 b = z + 4 \frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = z + 4 a x − 2 = b y − 3 = z + 4 . Find the values of a , b a, b a , b . (10%)
(8) a = 見解答 ‾ a = \underline{\quad\text{見解答}\quad} a = 見解答 , b = 見解答 ‾ b = \underline{\quad\text{見解答}\quad} b = 見解答 .
解答
解法一
思路
展開
本題給出兩曲面相交而成的空間曲線 C C C ,要求其在點 P ( 2 , 3 , − 4 ) P(2, 3, -4) P ( 2 , 3 , − 4 ) 處的切線方程式參數。
空間曲線在點 P P P 的切線方向向量 T \mathbf{T} T 必須同時垂直於兩曲面在該點處的法向量。
我們令兩曲面的隱函數表達式分別為:
F 1 ( x , y , z ) = x y + y z + z x + 14 = 0 F_1(x, y, z) = xy + yz + zx + 14 = 0 F 1 ( x , y , z ) = x y + y z + z x + 14 = 0
F 2 ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 − 29 = 0 F_2(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 29 = 0 F 2 ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 − 29 = 0
曲面在點 P P P 的法向量為梯度的數值:
n 1 = ∇ F 1 ( P ) \mathbf{n}_1 = \nabla F_1(P) n 1 = ∇ F 1 ( P )
n 2 = ∇ F 2 ( P ) \mathbf{n}_2 = \nabla F_2(P) n 2 = ∇ F 2 ( P )
利用向量外積 (Cross Product) 求出同時垂直於 n 1 \mathbf{n}_1 n 1 與 n 2 \mathbf{n}_2 n 2 的向量作為切線方向向量 T \mathbf{T} T :
T ∥ n 1 × n 2 \mathbf{T} \parallel \mathbf{n}_1 \times \mathbf{n}_2 T ∥ n 1 × n 2
將求得的方向向量與題目給出的切線比例式 x − 2 a = y − 3 b = z + 4 1 \frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = \frac{z+4}{1} a x − 2 = b y − 3 = 1 z + 4 進行係數比對,即可求得 a , b a, b a , b 。
答題過程
展開
第一步:計算兩曲面在 P ( 2 , 3 , − 4 ) P(2, 3, -4) P ( 2 , 3 , − 4 ) 處的法向量
我們將曲面方程式寫為隱函數形式:
令 F 1 ( x , y , z ) = x y + y z + z x + 14 = 0 F_1(x, y, z) = xy + yz + zx + 14 = 0 F 1 ( x , y , z ) = x y + y z + z x + 14 = 0 。對其求偏導數得梯度向量:
∇ F 1 ( x , y , z ) = ⟨ y + z , x + z , x + y ⟩ \nabla F_1(x, y, z) = \langle y+z,\, x+z,\, x+y \rangle ∇ F 1 ( x , y , z ) = ⟨ y + z , x + z , x + y ⟩
將點 P ( 2 , 3 , − 4 ) P(2, 3, -4) P ( 2 , 3 , − 4 ) 代入:
n 1 = ∇ F 1 ( 2 , 3 , − 4 ) = ⟨ 3 − 4 , 2 − 4 , 2 + 3 ⟩ = ⟨ − 1 , − 2 , 5 ⟩ \mathbf{n}_1 = \nabla F_1(2, 3, -4) = \langle 3-4,\, 2-4,\, 2+3 \rangle = \langle -1,\, -2,\, 5 \rangle n 1 = ∇ F 1 ( 2 , 3 , − 4 ) = ⟨ 3 − 4 , 2 − 4 , 2 + 3 ⟩ = ⟨ − 1 , − 2 , 5 ⟩
令 F 2 ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 − 29 = 0 F_2(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 29 = 0 F 2 ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 − 29 = 0 。對其求偏導數得梯度向量:
∇ F 2 ( x , y , z ) = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩ \nabla F_2(x, y, z) = \langle 2x,\, 2y,\, 2z \rangle ∇ F 2 ( x , y , z ) = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩
將點 P ( 2 , 3 , − 4 ) P(2, 3, -4) P ( 2 , 3 , − 4 ) 代入:
∇ F 2 ( 2 , 3 , − 4 ) = ⟨ 4 , 6 , − 8 ⟩ \nabla F_2(2, 3, -4) = \langle 4,\, 6,\, -8 \rangle ∇ F 2 ( 2 , 3 , − 4 ) = ⟨ 4 , 6 , − 8 ⟩
為了簡化外積計算,我們可以使用與其平行的向量作為法向量:
n 2 = ⟨ 2 , 3 , − 4 ⟩ \mathbf{n}_2 = \langle 2,\, 3,\, -4 \rangle n 2 = ⟨ 2 , 3 , − 4 ⟩
第二步:計算切線方向向量
空間曲線的切線方向 T \mathbf{T} T 應與兩曲面法向量的外積平行:
T ∥ n 1 × n 2 = det ( i j k − 1 − 2 5 2 3 − 4 ) = i ( ( − 2 ) ( − 4 ) − ( 5 ) ( 3 ) ) − j ( ( − 1 ) ( − 4 ) − ( 5 ) ( 2 ) ) + k ( ( − 1 ) ( 3 ) − ( − 2 ) ( 2 ) ) = i ( 8 − 15 ) − j ( 4 − 10 ) + k ( − 3 + 4 ) = ⟨ − 7 , 6 , 1 ⟩ \begin{align*}
\mathbf{T} \parallel \mathbf{n}_1 \times \mathbf{n}_2 =&\, \det \begin{pmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ -1 & -2 & 5 \\ 2 & 3 & -4 \end{pmatrix} \\[4mm]
=&\, \mathbf{i} \big( (-2)(-4) - (5)(3) \big) - \mathbf{j} \big( (-1)(-4) - (5)(2) \big) + \mathbf{k} \big( (-1)(3) - (-2)(2) \big) \\[4mm]
=&\, \mathbf{i}(8 - 15) - \mathbf{j}(4 - 10) + \mathbf{k}(-3 + 4) \\[4mm]
=&\, \langle -7,\, 6,\, 1 \rangle
\end{align*} T ∥ n 1 × n 2 = = = = det i − 1 2 j − 2 3 k 5 − 4 i ( ( − 2 ) ( − 4 ) − ( 5 ) ( 3 ) ) − j ( ( − 1 ) ( − 4 ) − ( 5 ) ( 2 ) ) + k ( ( − 1 ) ( 3 ) − ( − 2 ) ( 2 ) ) i ( 8 − 15 ) − j ( 4 − 10 ) + k ( − 3 + 4 ) ⟨ − 7 , 6 , 1 ⟩
第三步:與切線方程進行比對
已知切線通過點 ( 2 , 3 , − 4 ) (2, 3, -4) ( 2 , 3 , − 4 ) ,且其切線比例式為:
x − 2 a = y − 3 b = z + 4 1 \frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = \frac{z+4}{1} a x − 2 = b y − 3 = 1 z + 4
這說明切線的方向向量可以表示為 ⟨ a , b , 1 ⟩ \langle a, b, 1 \rangle ⟨ a , b , 1 ⟩ 。
對照我們求得的方向向量 ⟨ − 7 , 6 , 1 ⟩ \langle -7, 6, 1 \rangle ⟨ − 7 , 6 , 1 ⟩ ,其 z z z 分量恰好同為 1 1 1 ,故可直接比對出:
a = − 7 , b = 6 a = -7, \quad b = 6 a = − 7 , b = 6
結論:
a = − 7 , b = 6 a = -7, \quad b = 6 a = − 7 , b = 6 。