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数学・工学事典 / 数学 / 応用数学 / ベクトル解析

曲面

曲面

% $uv$ 平面上の領域 D で定義された関数 $x(u,v)$, $y(u,v)$, $z(u,v)$ に対して % \begin{align*} \vt{r}=x(u,v)\vt{i}+y(u,v)\vt{j}+z(u,v)\vt{k} \end{align*} % を $\vt{r}=\vt{r}(u,v)$ と表す。 $x$, $y$, $z$ が連続微分可能であるとき, % \begin{align*} \frac{\partial \vt{r}}{\partial u} &= \frac{\partial x}{\partial u}\vt{i} + \frac{\partial y}{\partial u}\vt{j} + \frac{\partial z}{\partial u}\vt{k}, \\ \frac{\partial \vt{r}}{\partial v} &= \frac{\partial x}{\partial v}\vt{i} + \frac{\partial y}{\partial v}\vt{j} + \frac{\partial z}{\partial v}\vt{k} \end{align*} % を $\vt{r}$ の\ommindex{偏導関数}{へんどうかんすう}という。 これらの偏導関数が % \begin{align*} \frac{\partial \vt{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \vt{r}}{\partial v} \ne \vt{0} \end{align*} % を満たすとき, 位置ベクトルを $\vt{r}$ とする 空間の点 P$(x(u,v),y(u,v),z(u,v))$ は 空間に\ommindex{曲面}{きょくめん}を描く。 これを $\vt{r}=\vt{r}(u,v)$ と表し, これを曲面 C の \ommindex{媒介変数表示}{ばいかいへんすうひょうじ}といい, 変数 $t$ を\ommindex{媒介変数}{ばいかいへんすう}, D を\ommindex{定義域}{ていぎいき}という。 点 P$(x(u,v),y(u,v),z(u,v))$ を単に P$(u,v)$ とかくこともある。 %

いろいろな曲面

% \begin{enumerate} \item[(1)] 点 P の位置ベクトルを $\vt{p}$ とする。 点 P を通り, 定ベクトル $\vt{a}$, $\vt{b}$ に平行な平面の媒介変数表示は % \begin{align*} \vt{r}=\vt{p}+u\vt{a}+v\vt{b} \end{align*} % と表すことができる。 \item[(2)] $z$ 軸を中心とする半径 $R$ の円柱面は % \begin{align*} \vt{r}=R\cos{u}\,\vt{i}+R\sin{u}\,\vt{j}+v\,\vt{k} \end{align*} % と表すことができる。 \item[(3)] 原点を中心とした半径 $R$ の球面は % \begin{align*} \vt{r} = R\cos{u}\cos{v}\,\vt{i}+R\sin{u}\cos{v}\,\vt{j}+R\sin{v}\,\vt{k} \end{align*} % と表すことができる。 \end{enumerate} %

法線ベクトルと接平面

% 曲面 $\vt{r}=\vt{r}(u,v)$ 上の各点 P において, 曲面に垂直なベクトルを, 点 P における曲面の \ommindex{法線ベクトル}{ほうせんべくとる}という。 % \begin{align*} \frac{\partial \vt{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \vt{r}}{\partial v} \end{align*} % は法線ベクトルである。 法線ベクトルのうち, 大きさが $1$ のベクトルを \ommindex{単位法線ベクトル}{たんいほうせんべくとる}という。 点 P を通り, 単位法線ベクトルに垂直な平面を, 点 P における\ommindex{接平面}{せつへいめん}という。