用Mathematica学习微分几何——空间曲线初步

 时间:2026-02-12 05:11:37

1、三维空间曲线r[t]的密切平面的方程:

r[t_]:={x[t],y[t],z[t]}

p={x,y,z};

Det[{p-r[t],r'[t],r''[t]}]==0

圆柱螺旋线的密切平面方程是:

r[t_] := {Cos[t], Sin[t], t}

p = {x, y, z};

Det[{p - r[t], r'[t], r''[t]}] == 0

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2、空间曲线的逗留点:

如果Cross[r'[t],r''[t]]==0,那么t就是这条曲线的逗留点。

可以证明圆柱螺旋线上面的所有点都不是逗留点:

r[t_] := {Cos[t], Sin[t], t}

Cross[r'[t], r''[t]]

Cross[r'[t], r''[t]].Cross[r'[t], r''[t]]

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3、求圆柱螺旋线r[t_]:={Cos[t],Sin[t],t}在点{1,0,0}点的密切平面的方程。

稍微计算一下可知,此时t=0,

r[t_] := {Cos[t], Sin[t], t}

p = {x, y, z};

Det[{p - r[t], r'[t], r''[t]}] == 0 // Simplify // TraditionalForm

% /. t -> 0

结果答案很简单,就是平面y==z

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4、给出曲线的自然参数方程r[s],那么它的单位切向量是:

α=D[r[s],s]

曲线的主法向量是:

β=D[r[s],{s,2}]/(D[r[s],{s,2}].D[r[s],{s,2}])

曲线的副法向量为:

γ=Cross[α,β]

以圆柱螺旋线为例,整体代码是:

r[s_] := {Cos[s/Sqrt[2]], Sin[s/Sqrt[2]], s/Sqrt[2]}

\[Alpha] = r'[s] // Simplify

\[Beta] = r''[s]/(Sqrt[r''[s].r''[s]]) // Simplify

\[Gamma] = Cross[\[Alpha], \[Beta]]

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5、自然参数方程条件下,密切平面的方程是:

r[s_]:={x[s],y[s],z[s]}

p={x,y,z};

Det[{p-γ,α,β}]==0

法平面的方程是:

(p-γ).α==0

从切平面的方程是:

(p-γ).β==0

以圆柱螺旋线为例:

r[s_] := {Cos[s/Sqrt[2]], Sin[s/Sqrt[2]], s/Sqrt[2]}

\[Alpha] = r'[s] // Simplify;

\[Beta] = r''[s]/(Sqrt[r''[s].r''[s]]) // Simplify;

\[Gamma] = Cross[\[Alpha], \[Beta]] // Simplify;

p = {x, y, z};

Det[{p - \[Gamma], \[Alpha], \[Beta]}] == 0 // Simplify

(p - \[Gamma]).\[Alpha] == 0 // Simplify

(p - \[Gamma]).\[Beta] == 0 // Simplify

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6、对于曲线的一般参数方程r[t],有 :

r[t_]:={Cos[t],Sin[t],t}

α=r'[t]/Sqrt[r'[t].r'[t]]//Simplify

β=Cross[r'[t],r''[t]]/Sqrt[Cross[r'[t],r''[t]].Cross[r'[t],r''[t]]]//Simplify

γ=((r'[t].r'[t]) r''[t]-(r'[t].r''[t]) r'[t])/(Sqrt[r'[t].r'[t]] Sqrt[Cross[r'[t],r''[t]].Cross          [r'[t],r''[t]]])//Simplify

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