13.19
一个等值面 S 包含所有使得三变量函数等于某一常数值的点。
为了理解该曲面上特定点 P 处的几何性质,可以想象一条经过点 P 的曲线 r(t)。
为了证明 r(t) 完全位于等值面上,需将曲线的参数分量代入曲面方程中。
由于 k 是常数,其对时间的导数必须为零。链式法则将这一导数分解为两个不同的部分。
第一部分包含表示高程变化的偏导数,并构成梯度向量。第二部分包含曲线路径的导数,表示行进方向,并构成切向量。
这计算了梯度与切向量的点积。由于该值为零,梯度垂直于所有切向量,因此垂直于点 P 处的切平面。因此,梯度可作为该平面的法向量。
设想一名徒步者位于一座小山上。保持恒定海拔行走意味着沿与梯度方向垂直的方向移动。梯度向量指向正上方,表示最陡峭的上坡方向。切平面就像一个平坦的平台,位于徒步者所在位置,与山坡相切。
等值面是指空间中使得一个三变量函数取相同固定值的所有点构成的集合。如果某一点位于该等值面上,要理解该点处曲面的几何性质,仅知道该点的坐标是不够的;还需要描述该点附近曲面的方向或倾斜方式。
为了探究这一局部几何性质,可以设想一条完全位于等值面上并经过关注点的路径。该路径可被描述为一条参数曲线,即随着沿曲…