В пространстве задана плоскость и кривая пересечения двух поверхностей; исследуйте условия, при которых касательная к этой кривой лежит в заданной плоскости, и свяжите с понятием касательных плоскостей поверхностей
Коротко и по делу. Пусть поверхности заданы уравнениями S1: F(x,y,z)=0S_1:\ F(x,y,z)=0S1:F(x,y,z)=0 и S2: G(x,y,z)=0S_2:\ G(x,y,z)=0S2:G(x,y,z)=0. Кривая пересечения C=S1∩S2C=S_1\cap S_2C=S1∩S2 проходит через точку PPP. Пусть задана плоскость π\piπ с единичным нормальным вектором nnn (и предполагаем, что P∈π\:P\in\piP∈π, иначе касательная в PPP не может лежать в π\piπ). 1) Регулярный случай (нормали неколлинеарны). Если ∇F(P)≠0, ∇G(P)≠0\nabla F(P)\neq0,\ \nabla G(P)\neq0∇F(P)=0,∇G(P)=0 и ∇F(P)∦∇G(P)\nabla F(P)\not\parallel\nabla G(P)∇F(P)∥∇G(P), то касательная к CCC в PPP задаётся направлением v=∇F(P)×∇G(P).
v=\nabla F(P)\times\nabla G(P). v=∇F(P)×∇G(P).
Касательная лежит в плоскости π\piπ тогда и только тогда v⋅n=0,
v\cdot n=0, v⋅n=0,
то есть (∇F(P)×∇G(P))⋅n=0.
(\nabla F(P)\times\nabla G(P))\cdot n=0. (∇F(P)×∇G(P))⋅n=0.
Эквивалентное геометрическое утверждение: касательная к кривой в PPP является линией пересечения касательных плоскостей TPS1T_P S_1TPS1 и TPS2T_P S_2TPS2; требование выше означает, что плоскость π\piπ содержит эту линию пересечения (или, иначе, нормали ∇F(P), ∇G(P), n\nabla F(P),\ \nabla G(P),\ n∇F(P),∇G(P),n лежат в одной плоскости). 2) Вырожденный случай (нормали коллинеарны). Если ∇F(P)∥∇G(P)\nabla F(P)\parallel\nabla G(P)∇F(P)∥∇G(P) (поверхности касаются), то касательные плоскости совпадают. Тогда касательная к возможной кривой пересечения лежит в этой общей касательной плоскости. Для того чтобы у этой касательной была направление, лежащее в π\piπ, необходимо и достаточно существование ненулевого вектора vvv с v⋅∇F(P)=0,v⋅n=0,
v\cdot\nabla F(P)=0,\qquad v\cdot n=0, v⋅∇F(P)=0,v⋅n=0,
то есть эквивалентно ∇F(P)×n≠0\nabla F(P)\times n\neq0∇F(P)×n=0 (тогда v∝∇F(P)×nv\propto\nabla F(P)\times nv∝∇F(P)×n). Если же ∇F(P)∥n\nabla F(P)\parallel n∇F(P)∥n, то ненулевого вектора, ортогонального одновременно и ∇F(P)\nabla F(P)∇F(P), и nnn, не существует, и касательная (если она существует) не может лежать в π\piπ. 3) Замечания о регулярности. Если один из градиентов нулевой или точка сингулярна (т. е. нет регулярной касательной), необходим специальный анализ; выше приведены стандартные регулярные условия. Итого: основная аналитическая проверка — вычислить (∇F×∇G)⋅n(\nabla F\times\nabla G)\cdot n(∇F×∇G)⋅n. Равенство нулю даёт условие (в регулярной точке) того, что касательная к кривой пересечения лежит в заданной плоскости; это эквивалентно тому, что плоскость π\piπ содержит линию пересечения касательных плоскостей поверхностей.
Пусть поверхности заданы уравнениями S1: F(x,y,z)=0S_1:\ F(x,y,z)=0S1 : F(x,y,z)=0 и S2: G(x,y,z)=0S_2:\ G(x,y,z)=0S2 : G(x,y,z)=0. Кривая пересечения C=S1∩S2C=S_1\cap S_2C=S1 ∩S2 проходит через точку PPP. Пусть задана плоскость π\piπ с единичным нормальным вектором nnn (и предполагаем, что P∈π\:P\in\piP∈π, иначе касательная в PPP не может лежать в π\piπ).
1) Регулярный случай (нормали неколлинеарны).
Если ∇F(P)≠0, ∇G(P)≠0\nabla F(P)\neq0,\ \nabla G(P)\neq0∇F(P)=0, ∇G(P)=0 и ∇F(P)∦∇G(P)\nabla F(P)\not\parallel\nabla G(P)∇F(P)∥∇G(P), то касательная к CCC в PPP задаётся направлением
v=∇F(P)×∇G(P). v=\nabla F(P)\times\nabla G(P).
v=∇F(P)×∇G(P). Касательная лежит в плоскости π\piπ тогда и только тогда
v⋅n=0, v\cdot n=0,
v⋅n=0, то есть
(∇F(P)×∇G(P))⋅n=0. (\nabla F(P)\times\nabla G(P))\cdot n=0.
(∇F(P)×∇G(P))⋅n=0. Эквивалентное геометрическое утверждение: касательная к кривой в PPP является линией пересечения касательных плоскостей TPS1T_P S_1TP S1 и TPS2T_P S_2TP S2 ; требование выше означает, что плоскость π\piπ содержит эту линию пересечения (или, иначе, нормали ∇F(P), ∇G(P), n\nabla F(P),\ \nabla G(P),\ n∇F(P), ∇G(P), n лежат в одной плоскости).
2) Вырожденный случай (нормали коллинеарны).
Если ∇F(P)∥∇G(P)\nabla F(P)\parallel\nabla G(P)∇F(P)∥∇G(P) (поверхности касаются), то касательные плоскости совпадают. Тогда касательная к возможной кривой пересечения лежит в этой общей касательной плоскости. Для того чтобы у этой касательной была направление, лежащее в π\piπ, необходимо и достаточно существование ненулевого вектора vvv с
v⋅∇F(P)=0,v⋅n=0, v\cdot\nabla F(P)=0,\qquad v\cdot n=0,
v⋅∇F(P)=0,v⋅n=0, то есть эквивалентно ∇F(P)×n≠0\nabla F(P)\times n\neq0∇F(P)×n=0 (тогда v∝∇F(P)×nv\propto\nabla F(P)\times nv∝∇F(P)×n). Если же ∇F(P)∥n\nabla F(P)\parallel n∇F(P)∥n, то ненулевого вектора, ортогонального одновременно и ∇F(P)\nabla F(P)∇F(P), и nnn, не существует, и касательная (если она существует) не может лежать в π\piπ.
3) Замечания о регулярности.
Если один из градиентов нулевой или точка сингулярна (т. е. нет регулярной касательной), необходим специальный анализ; выше приведены стандартные регулярные условия.
Итого: основная аналитическая проверка — вычислить (∇F×∇G)⋅n(\nabla F\times\nabla G)\cdot n(∇F×∇G)⋅n. Равенство нулю даёт условие (в регулярной точке) того, что касательная к кривой пересечения лежит в заданной плоскости; это эквивалентно тому, что плоскость π\piπ содержит линию пересечения касательных плоскостей поверхностей.