§ 3. Производная вектор-функции по скаляру и её механическое и геометрическое значение. Естественный трёхгранник кривой

   Радиус-вектор точки кривой x = x(t), y = y(t), z = z(t) есть вектор-функция скаляра t. Производная есть тангенциальный вектор и имеет модуль . Поэтому, если t - время, а кривая - траектория движения, то есть вектор скорости, - вектор ускорения.
   Через точку М(x; y; z) кривой (рис. 34) проведём три плоскости:
1) перпендикулярную к ; она называется нормальной;
2)содержащую и ; она называется соприкасающейся;
3) перпендикулярную к первым двум.
Они образуют естественный трёхгранник (триедр) кривой. В пересечении плоскостей имеем три прямые: касательную, бинормаль и главную нормаль, определяемые векторами:
  1. -тангенциальный,
  2. - бинормальный,
  3. -главный нормальный.
   Единичные векторы этих направлений обозначим ; они связаны зависимостью и .
   Пусть М1 (X; Y; Z) - точка касательной (рис. 34). Тогда MM1 и из условия параллельности векторов получим уравнения касательной
Пусть М2 (X; Y; Z) - точка на нормальной плоскости. Тогда ММ2 ^ и из условия перпендикулярности векторов получим уравнение нормальной плоскости:
.
Уравнения нормали и бинормали получим, заменив в уравнениях касательной соответственно на Bх, By, Bz или на Nх, Ny, Nz. Уравнение соприкасающейся плоскости получим, заменив в уравнении нормальной плоскости на Bх, By, Bz.

1812. Радиус-вектор движущейся точки в момент t задан уравнением . Определить траекторию, скорость и ускорение движения.

1813. Уравнение движения . Определить траекторию и скорость движения. Построить траекторию и векторы скорости в моменты t = 0, 1, 2 и 3 с.

1814. В задаче 1813 определить ускорение w движения и его тангенциальную и нормальную составляющие в любой момент t и при t = 0.

1815. Уравнение движения . Определить траекторию, скорость и ускорение движения и построить векторы скорости и ускорения в точках t =0, π/4, π/2.

В задачах 1816 - 1818 написать уравнения касательной прямой и нормальной плоскости кривой.

1816. x = t, y = t², z = t³ в любой точке и при t = 1.

1817. y = x², z² = x в любой точке (x > 0) и при x = 4.

1818. x² + y² = 10, y² + z² = 25 в точке (1; 3; 4).
Указание: Взяв дифференциал от правой и левой частей каждого уравнения, найти затем отношения dx : dy : dz.

1819. Найти тангенциальный , бинормальный и главный нормальный векторы кривой x = 1 - sin t, y = cos t, z = t в точке t =0. Найти также , в той же точке.

1820. Написать уравнения главной нормали, бинормали и соприкасающейся плоскости к кривой x = t, y = t², z = t² в точке t = 1.

1821. Написать уравнения главной нормали и бинормали кривой x = e t, y = e -t, z = t в точке t =0.

1822. Показать что уравнения x = t cos t , y = t sin t, z = t определяют коническую винтовую линию, и написать уравнения главной нормали, бинормали и касательной к ней в начале координат.

1823. Написать уравнения касательной к винтовой линии x = a cos t, y = a sin t, z = bt в любой точке и при t = π/2. Показать, что винтовая линия пересекает образующие цилиндра x² + y² = a² под одинаковым углом .

1824. Найти углы с осями координат тангенциального вектора кривой x² = 2az и y² = 2bz в точке .

1825. Плоскость y =0 , на которой дана кривая 2z = x², y = 0, накручивается на цилиндр x² + y² = 2y. Написать параметрические уравнения образованного кривой винта и определить бинормальный вектор кривой в любой точке и в точке t = π/2, где t - угол поворота плоскости.


1826. Радиус-вектор движущейся точки в момент t задан уравнением . Определить и построить векторы скорости и ускорения при t = π/2 и t = π.

В задачах 1827-1829 написать уравнения касательной к кривой:

1827. y = x, z = 2x² в точке x = 2.
1828. x² + y² + z² = 14, x + 2y - z = 2 в точке (1; 2; 3) (см.. задачу 1818).
1829. x = 2t, y = ln t, z = t² в точке t = 1.
1830. . Найти углы с осями координат бинормального вектора b в точке t =0.
1831. Написать уравнения главной нормали и бинормали кривой y = x², z = y² в точке x = 1.
1832. Написать уравнения главной нормали и бинормали кривой x = t - sin t, y = 1- cos t, в точке t = π.