MIT 18.02 · 第 5 课

参数方程 (Parametric Equations for Lines and Curves)

把直线看作动点的轨迹,用参数方程描述它,并把它与平面的相交问题化为求解一个参数。

授课:Denis Auroux 日期:2007-09-14 难度:中等

学习目标


直线的参数方程

前面我们见过直线作为两张平面的交线。另一种看法是把直线看作一个运动点的轨迹:

\[\vec{Q}(t) = \vec{Q}_0 + t\vec{v}.\]

其中 \(\vec{Q}_0\) 是 \(t=0\) 时的起点,\(\vec{v}\) 是"速度"向量(方向沿直线),\(t\) 是参数(可正可负)。

例题:过两点的直线

设 \(Q_0=(-1,2,2)\),\(Q_1=(1,3,-1)\)。动点从 \(Q_0\) 出发、以常速沿直线运动,\(t=1\) 时到达 \(Q_1\),则速度

\[\vec{v} = \overrightarrow{Q_0Q_1} = \langle 2,1,-3\rangle.\]

参数方程为 \(\langle x+1,\,y-2,\,z-2\rangle = t\langle 2,1,-3\rangle\),即

\[\begin{cases} x(t) = -1+2t,\\ y(t) = 2+t,\\ z(t) = 2-3t. \end{cases}\]

直线与平面的相对位置

闪卡题:两点相对于平面的位置

问题:点 \(Q_0=(-1,2,2)\)、\(Q_1=(1,3,-1)\) 相对于平面 \(x+2y+4z=7\) 的位置关系是(同侧 / 异侧 / 其一在平面上 / 无法判断)?

解法:把坐标代入平面方程左边:

一个大于 \(d\)、一个小于 \(d\),故两点在平面的异侧 (opposite sides)。

注意:不少同学错误地认为有一个点在平面上。代入验算是避免这类误判的可靠方法。

直线与平面的交点

何时动点 \(\vec{Q}(t)\) 落在平面上?把参数方程代入平面方程:

\[x(t)+2y(t)+4z(t)=(-1+2t)+2(2+t)+4(2-3t)=11-8t.\]

令其等于 7:\(11-8t=7\),解得 \(t=\frac{1}{2}\)。交点为

\[\vec{Q}\!\left(\tfrac12\right) = (0,\tfrac52,\tfrac12).\]

退化情况:若把 \(\vec{Q}(t)\) 代入平面方程后得到的是常数,则:常数 \(=7\) 时直线在平面内(所有 \(t\) 都是解);常数 \(\neq7\) 时直线与平面平行(无解)。


摆线 (Cycloid)

接下来我们研究更一般的参数曲线。摆线是车轮在地面上滚动时,轮缘上一点 \(P\) 画出的轨迹。

建立参数方程

设车轮半径为 \(a\),地面为 \(x\) 轴,\(P\) 的初始位置为原点。取参数 \(\theta\) = 车轮转过的角度。车轮前进的弧长 = \(a\theta\)。

记 \(A\) = 车轮与地面的接触点,\(B\) = 轮心。把位矢分解:

\[\overrightarrow{OP} = \overrightarrow{OA}+\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BP}.\]

于是

\[\overrightarrow{OP} = \langle a\theta-a\sin\theta,\;a-a\cos\theta\rangle.\]

尖点附近的局部形状

闪卡题:在最低点(\(\theta\to0\))附近,摆线的形状是(左右都有穷斜率的尖点 / 环形 / 水平切线的光滑点 / 竖直切线 (cusp))?

解法:用泰勒展开 \(\sin\theta\approx\theta-\frac{\theta^3}{6}\),\(\cos\theta\approx1-\frac{\theta^2}{2}\):

\[x(\theta)\approx \frac{a\theta^3}{6},\qquad y(\theta)\approx \frac{a\theta^2}{2}.\]

当 \(\theta\to0\) 时,

\[\frac{y}{x}\approx \frac{a\theta^2/2}{a\theta^3/6} = \frac{3}{\theta}\to\infty,\]

说明切线竖直——即摆线在最低点有一个竖直切线的尖点 (vertical cusp)。

核心思想:参数方程把"运动"本身作为第一公民。通过分解位矢为简单运动之和,我们能系统地建立复杂曲线的方程,并用泰勒展开分析局部行为。


知识检查

问题 1:过 \(Q_0=(-1,2,2)\) 与 \(Q_1=(1,3,-1)\) 的直线的方向向量是?

问题 2:判断点相对于平面 \(x+2y+4z=7\) 的位置,最可靠的方法是?

问题 3:摆线的参数方程 \(\langle a\theta-a\sin\theta,\;a-a\cos\theta\rangle\) 中,\(a\theta\) 这一项代表?

问题 4:摆线在最低点(\(\theta=0\))附近的切线方向是?


本课要点

直线参数方程

\(\vec{Q}(t)=\vec{Q}_0+t\vec{v}\),\(\vec{v}\) 为方向向量。

点与平面

代入 \(ax+by+cz\),与 \(d\) 比较知点在平面的哪一侧。

线面交点

把参数方程代入平面方程,解出 \(t\)。

摆线

\(\langle a\theta-a\sin\theta,\;a-a\cos\theta\rangle\),分解 \(\overrightarrow{OP}\) 得到。

尖点分析

泰勒展开给出 \(x\sim\theta^3\),\(y\sim\theta^2\),\(y/x\to\infty\) → 竖直切线 cusp。


一手资料