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微积分的基本公式讲解(五分钟MIT公开课-多元微积分)

微积分的基本公式讲解(五分钟MIT公开课-多元微积分)得到P的参数方程为:参数有很多种选择,这里使用角度代替时间参数t,这样可以使结果更加简单。等价于:常数项(-1,2,2)是t0时刻的位置,一次项(2,1,-3)就是向量P0P1,告诉了点应该移动的方向。得到了直线的参数方程,再来一个平面 x 2y 4z=7,平面和直线是否相交,交点在哪里。如何判断点相对于平面的位置。

Equations of Lines 直线的方程

直线,可以用两个平面的交集表示,但这种方法并不高效率。更好的办法是把直线当作运动点的轨迹。轨迹就是 参数方程

例:确定经过点 Q0=(-1 2 2) 和 Q1=(1 3 -1) 的直线。

定义Q(t)是一个移动点,在t=0时刻,在Q0点。在直线上做匀速运动,在单位时间内,到达点Q1。直线的方程问题就转化为当时刻为t的时候,点Q(t)在什么位置?

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分别以x(t) y(t) z(t)表示Q(t)的坐标,可以得到直线的参数方程:

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等价于:

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常数项(-1,2,2)是t0时刻的位置,一次项(2,1,-3)就是向量P0P1,告诉了点应该移动的方向。

Intersection of a Line and a Plane 直线和平面的相交

得到了直线的参数方程,再来一个平面 x 2y 4z=7,平面和直线是否相交,交点在哪里。如何判断点相对于平面的位置。

参数有很多种选择,这里使用角度代替时间参数t,这样可以使结果更加简单。

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得到P的参数方程为:

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Point (Cusp) on Cycloid 摆线的顶点

仔细思考,摆线在接近底面底面候到底是什么样子?

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想要知道原点处到底发生了什么,就要自己的研究参数方程了,首先要做的就是近似。大家都知道的是,当角度足够小的时候,

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但是将这个近似代入原参数方程中,并不能提供好的结果,我们需要更加准确的近似:泰勒展开

定理:

设 n 是一个正整数。如果定义在一个包含 a 的区间上的函数 f 在 a 点处 n 1 次可导,那么对于这个区间上的任意 x,都有:

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其中的多项式称为函数在$a$处的泰勒展开式,剩余的 Rn(x) 是泰勒公式的余项,是 (x−a)^n 的高阶无穷小。

得到三角函数的三阶泰勒展开:

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当半径为1,这时候的参数方程变成:

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在原点处的斜率,当角度足够小时:

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说明摆线在原点处有一个垂直的切线,选项是d。

Velocity and Acceleration 速度和加速度

不用泰勒展开,换一个思路来研究点的运动,还是摆线,看看摆线的速度和加速度

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位置向量 可以表示任意时刻的点的坐标,角度和时间成正比,半径为1,以单位速度运动的摆线:

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速度向量(Velocity vector):

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在t=0时刻时,速度为0。

速率(speed):

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当t=pi时,瞬时速率最大,这是点的运动速度是轮子速度的两倍。

加速度(Acceleration):

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在 t=0 时刻时,

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说明摆线在原点处只有垂直于x轴的向上加速度。

Velocity and Arc Length 速度和弧长

单位切向量(unit tangent vector):用来表示轨迹运动的方向。

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弧长(arc length):点运动沿着轨迹的长度。

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求摆线的弧长,需要对速率进行积分

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发现,这个积分不太容易算。怎么用向量的思想解决问题呢?重新来看速度向量,我们把它分解下

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发现第一部分近似于切向量,第二部分是速率,为什么可以把第一部分近似为切向量,如图所示:

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由于移动的距离s是位置向量的模,在单位时间段足够小时,就可以近似的认为两者的比例为单位切向量:

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现在新的速度方程也是又有大小,又有方向,而且聪明的使用了切向量的概念。

例子:Kepler's Second Law 开普勒第二定律

这个例子说明为什么用向量的方法去分析运动是很好的方法。

普勒第二定律:

1.每个行星的运动都保持在一个平面内。

2.在相等时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。

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根据开普勒第二定律,叉乘的模是常数,向量叉乘的方向是常数。也就是:

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加速度是和位矢平行的。由于加速度由万有引力引起的,这个力是永远指向施力物体的,也就是太阳。现在发现,在向量的观念里,开普勒第二定律和牛顿万有引力定律有着异曲同工的妙处。

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