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1 # iggie4075
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2 # 羋月妖君
法向量,是空間解析幾何的一個概念,垂直於平面的直線所表示的向量為該平面的法向量。
法向量適用於解析幾何。由於空間內有無數個直線垂直於已知平面,因此一個平面都存在無數個法向量(包括兩個單位法向量)。
定義
三維平面的法線是垂直於該平面的三維向量。曲面在某點P處的法線為垂直於該點切平面(tangent plane)的向量。
法線是與多邊形(polygon)的曲面垂直的理論線,一個平面(plane)存在無限個法向量(normal vector)。在電腦圖學(computer graphics)的領域裡,法線決定著曲面與光源(light source)的濃淡處理(Flat Shading),對於每個點光源位置,其亮度取決於曲面法線的方向。
如果一個非零向量n與平面a垂直,則稱向量n為平面a的法向量。
垂直於平面的直線所表示的向量為該平面的法向量。每一個平面存在無數個法向量。
計算
對於像三角形這樣的多邊形來說,多邊形兩條相互不平行的邊的叉積就是多邊形的法線。[1]
用方程ax+by+cz=d表示的平面,向量(a,b,c)就是其法線。
如果S是曲線座標x(s,t)表示的曲面,其中s及t是實數變數,那麼用偏導數叉積表示的法線為
 。
如果曲面S用隱函式表示,點集合(x,y,z)滿足 F(x,y,z)=0,那麼在點(x,y,z)處的曲面法線用梯度表示為
。
如果曲面在某點沒有切平面,那麼在該點就沒有法線。例如,圓錐的頂點以及底面的邊線處都沒有法線,但是圓錐的法線是幾乎處處存在的。通常一個滿足Lipschitz連續的曲面可以認為法線幾乎處處存在。
法向量是空間解析幾何的一個概念,垂直於平面的直線所表示的向量為該平面的法向量。由於空間內有無數個直線垂直於已知平面,而且每條直線可以存在不同的法向量;因此一個平面都存在無數個法向量,但是這些法向量之間相互平行。概念 垂直於平面的直線所表示的向量為該平面的法向量。一個平面都存在無數個法向量。編輯本段計算方法 從理論上說,空間零向量是任何平面的法向量,但是由於零向量不能表示平面的資訊。一般不選擇零向量為平面的法向量。 如果已知直線與平面垂直,可以取已知直線的兩點構成的向量作為法向量;如果不存在這樣的直線,可用設元法求一個平面的法向量;步驟如下:首先設平面的法向量m(x,y,z),然後尋找平面內任意兩個不平行的向量AB(x1,y1,z1)和CD(x2,y2,z2)。由於平面法向量垂直於平面內所有的向量,因此得到x*x1+y*y1+z*z1=0和x*x2+y*y2+z*z2=0。由於上面解法存在三個未知數兩個方程(不能透過增加新的向量和方程求解,因為其它方程和上述兩個方程是等價的),無法得到唯一的法向量(因為法向量不是唯一的)。為了得到確定法向量,可採用固定z=1(也可以固定x=1或y=1)或者模等於1的方法(單位法向量),但是這步並不是必須的。因為確定法向量和不確定法向量的作用是一樣的。 平面法向量的具體步驟:(待定係數法) 1、建立恰當的直角座標系 2、設平面法向量n=(x,y,z) 3、在平面內找出兩個不共線的向量,記為a=(a1,a2,a3)b=(b1,b2,b3) 4、根據法向量的定義建立方程組①n*a=0②n*b=0 5、解方程組,取其中一組解即可。 關於法向量微分幾何的計算方式,這涉及到曲面的表示方式。通常曲面的表示方式為: 1).隱函式:F(x,y,z)=0,如平面x+y+z=0; 2).(引數化的)向量形式:r(u,v)=x(u,v)i+y(u,v)j+z(u,v)k.因為曲面的維度為2,所以一般是兩個引數u,v。比如:x+y+z=0可表示為:r(u,v)=ui+vj+(-u-v)k. 對應的,計算法向量的方式分別為: 1).grad(F).即隱函式F(x,y,z)的梯度grad(F)即為曲面在點(x,y,z)處的法向量,也即,法向量為F(x,y,z)=C變化率最大的方向。 2).偏導的叉乘給出法向量