Лекции Вектор-функция скалярного аргумента

Лекции Вектор-функция скалярного аргумента

Вектор-функция (определение 1.1), способы её задания.

Радиус-вектор и годограф, параметрическое задание годографа.

Производная вектор-функции (определение 1.6).

Геометрический смысл производной вектор-функции.

Правила дифференцирования вектор-функций.

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕКТОР-ФУНКЦИИ

Определение 1.1 Если каждому значению скалярного аргумента поставлен в соответствие вектор трехмерного пространства R 3 , то говорят, что на множестве Х задана вектор-функция (или векторная функция ) скалярного аргумента t .

Если в пространстве R 3 задана декартова система координат О xyz , то задание вектор — функции , равносильно заданию трех скалярных функций х( t ), y ( t ), z ( t ) – координат вектора :

где — координатные орты.

1.2. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЛИНИЯ, КАК ГОДОГРАФ РАДИУСА-ВЕКТОРА

Определение 1.2 Если начало всех векторов , помещено в начало координат, то они называются радиус–векторами.

Определение 1.3 Линия, являющаяся геометрическим местом концов радиусов-векторов , , называется годографом вектор-функции , а их общее начало – полюсом годографа.

Если параметр t – время, а — радиус-вектор движущейся точки, то годограф функции является траекторией движущейся точки.

Уравнение годографа можно записать в векторной форме (1.2) или в параметрическом виде:

В частности, если вектор-функция с изменением аргумента меняет только свой модуль, а направление не изменяет ( ), то годографом такой вектор- функции будет прямолинейный луч, исходящий из начала координат; если же меняется только направление вектора, а модуль его остается неизменным ( ), то годографом вектор-функции будет кривая, расположенная на сфере с центром в полюсе и радиусом, равным постоянному модулю вектора.

1.3. ПРЕДЕЛ, НЕПРЕРЫВНОСТЬ И ПРОИЗВОДНАЯ ВЕКТОР–ФУНКЦИИ

Определение 1. 4 Вектор называется пределом вектор-функции при , если

Определение 1.5 Вектор-функция называется непрерывной в точке t 0, если она имеет в этой точке предел, равный значению вектор-функции в этой точке:

Определение 1.6 Производной вектор-функции в точке t называется предел отношения приращения вектор-функции к приращению аргумента при :

1.4. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ И МЕХАНИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПЕРВОЙ ПРОИЗВОДНОЙ ВЕКТОР-ФУНКЦИИ

Геометрический смысл первой производной вектор-функции скалярного аргумента заключается в том, что эта производная представляет собой новый вектор, направленный по касательной к годографу: . Покажем это.

Будем предполагать, что годограф рассматриваемой вектор-функции есть непрерывная линия, имеющая касательную в любой своей точке.

Дадим аргументу t приращение , тогда геометрически отношение — это некоторый вектор , лежащий на секущей ММ’. При этот вектор поворачивается и превращается в вектор , лежащий на касательной и направленный в сторону возрастания t . Таким образом, вектор

будет единичным вектором касательной, ориентированный в сторону возрастания параметра t .

Следовательно, вектор можно взять в качестве направляющего вектора касательной к кривой в точке ), (или ), и уравнение касательной записать в виде:

Если t – время, а — радиус-вектор точки , движущейся в трёхмерном пространстве, то о тношение называется средней скоростью точки на отрезке [ t ; t + t ].

Механический смысл первой производной вектор-функции заключается в том, что эта производная представляет собой скорость точки М в момент t :

Правила дифференцирования вектор-функций

, т.е. при дифференцировании вектор-функции дифференцируются её координаты;

, (где — постоянный вектор, 0 – нулевой вектор);

, где  — постоянное число;

, где u – скалярная функция от t ;

, где – скалярное произведение;

, где – векторное произведение.

Докажем правило 1, пользуясь правилами вычитания векторов и деления вектора на число:

Доказательство остальных правил основываются на правиле 1 и правилах действий с векторами.

Пример 1.1 : Дана вектор-функция . Построить её годограф и составить уравнение ее касательной в произвольной точке.

Решение. Для любой точки ( x , y , z ) годографа вектор – функции имеем: x = acost ; y = asint ; z = bt и поэтому при любом выполняется равенство x 2 + y 2 = a 2 , а образующая параллельна оси Oz . Если параметр t интерпретировать как время, то при равномерном движении по окружности проекции конца радиус–вектора на плоскость Oxy его проекция на ось Oz будет двигаться равномерно и прямолинейно со скоростью b . Иначе говоря, аппликата точки годографа вектор-функции растет пропорционально углу поворота ее проекции на плоскость Oxy . Поэтому искомый годограф будет иметь вид, изображенный на рис.3 и он называется винтовой линией. Для нахождения касательных к годографу (винтовой линии) найдем производную вектор–функции.

Рис. 3 По правилу 1:

Уравнение касательной к винтовой линии имеет вид

Если интерпретировать годограф вектор–функции как траекторию движущейся материальной точки, то ее скорость равна = = ,

т.е. является постоянной по величине. Постоянными являются также и ее проекции на плоскость O х y и ось Oz .

Пример 1. 2 Показать, что кривая лежит на эллипсоиде.

Решение. Путём подстановки проверяется выполнение уравнения эллипсоида

Пример 1.3 Доказать, что если длина векторов постоянна в окрестности точки и существует производная , то векторы и — ортогональны.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎