求曲面法向量的基本方法是通过对曲面方程求偏导数。以下是具体步骤:
1. 假设曲面的方程为 \( F(x, y, z) = 0 \),其中 \( F \) 是关于 \( x \)、\( y \)、\( z \) 的函数。
2. 分别对 \( x \)、\( y \)、\( z \) 求偏导数,得到 \( F \) 对 \( x \) 的偏导数 \( \frac{\partial F}{\partial x} \)、\( F \) 对 \( y \) 的偏导数 \( \frac{\partial F}{\partial y} \) 和 \( F \) 对 \( z \) 的偏导数 \( \frac{\partial F}{\partial z} \)。
3. 法向量的方向与曲面在某点的切平面垂直,因此法向量的方向即为 \( \left( \frac{\partial F}{\partial x}, \frac{\partial F}{\partial y}, \frac{\partial F}{\partial z} \right) \)。
4. 对法向量进行归一化,使其长度为 1,即可得到单位法向量。
如果曲面由参数方程 \( x = x(u, v) \)、\( y = y(u, v) \)、\( z = z(u, v) \) 给出,其中 \( u \)、\( v \) 为参数,则可以通过以下步骤求出某一点 \( (u_0, v_0) \) 处的法向量:
1. 固定 \( v = v_0 \),得到一条关于 \( u \) 的曲线,它在点 \( (u_0, v_0) \) 处的切向量为 \( \mathbf{t_u} = \left( \frac{\partial x}{\partial u}, \frac{\partial y}{\partial u}, \frac{\partial z}{\partial u} \right) \bigg|_{u=u_0} \)。
2. 固定 \( u = u_0 \),得到另一条关于 \( v \) 的曲线,它在点 \( (u_0, v_0) \) 处的切向量为 \( \mathbf{t_v} = \left( \frac{\partial x}{\partial v}, \frac{\partial y}{\partial v}, \frac{\partial z}{\partial v} \right) \bigg|_{v=v_0} \)。
3. 曲面 \( \Sigma \) 在点 \( (u_0, v_0) \) 处的法向量 \( \mathbf{n} \) 同时与 \( \mathbf{t_u} \) 和 \( \mathbf{t_v} \) 垂直,故有公式:
\[ \mathbf{n} = \mathbf{t_u} \times \mathbf{t_v} \]
其中 \( \times \) 表示向量的叉乘。
以上步骤给出了求曲面法向量的一般方法。