空间解析几何 / 梯度与切平面
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三基详解 · 空间解析几何

梯度与切平面

本页给出标准定义、定理条件、可执行步骤,并用图示梳理从识别到应用的关系。

一、基本概念

标准定义

对等值面 F(x,y,z)=c,梯度 ∇F=(Fₓ,Fᵧ,F_z) 是各偏导组成的向量;在 ∇F(P)≠0 时它垂直于等值面。

∇F(P)≠0 → 法向量 → 切平面

二、基本定理

条件与结论

若 ∇F(P)≠0,曲面在 P 的切平面为 ∇F(P)·(r−P)=0,法线方向为 ∇F(P)。

条件检查

定理只在上述连续性、可导性、定义域、方向或收敛条件满足时使用。

三、基本方法

题目中的执行顺序
  1. 求 F 的梯度并代入指定点。
  2. 确认梯度非零。
  3. 用点法式写切平面,必要时写法线参数式。

例题提示:梯度在该点为 0 时不能直接当法向量;切平面公式必须使用曲面上的点 P。

四、推广应用

综合题中的连接

可推广到方向导数、约束极值、法向通量和隐式曲面。

五、易错辨析

反例与边界

易错与例子:梯度在该点为 0 时不能直接当法向量;切平面公式必须使用曲面上的点 P。

检查条件、变量/方向、边界与等号条件,再确认结论没有超出题设。

梯度与切平面:从定义到应用∇F(P)≠0法向量切平面
梯度与切平面的识别、条件核对与计算路径

公式速查

公式、条件、场景

直线与平面

直线:r=r0+ts
平面:n·(r−r0)=0

条件:s 为非零方向向量,n 为非零法向量。

场景:平行、垂直、交点和参数方程。

距离与夹角

cosθ=(a·b)/(|a||b|)
d(P,Ax+By+Cz+D=0)=|Ax₀+By₀+Cz₀+D|/√(A²+B²+C²)

条件:距离取非负值,向量不能为零。

场景:点面、线面、线线距离和夹角。

曲面与切平面

F(x,y,z)=c:∇F(P)·(r−P)=0

条件:∇F(P)≠0。

场景:曲面切平面、法线和空间区域。

使用边界

公式必须和适用条件一起使用;遇到边界、端点、方向或定义域问题,先检查条件再代入。