向量函数具有固定模的充要条件

该博客探讨了向量函数具有固定模的充要条件,即向量函数r(t)与其导数r'(t)垂直。充分条件是r(t)·r'(t)=0,导致r²(t)恒为常数c,从而模长不变。必要性则是如果模长是常数,那么r²(t)也是常数,进一步得出r(t)·r'(t)=0。

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定理

向量函数 r(t)\bold{r}(t)r(t) 具有固定模的充要条件是对于 ttt 的每一个值,r′(t)\bold{r}'(t)r(t) 都与 r(t)\bold{r}(t)r(t) 垂直。

证明

充分性

如果 r(t)⋅r′(t)=0\bold{r}(t)\cdot\bold{r}'(t)=0r(t)r(t)=0,那么

ddtr2(t)=0\frac{\rm d}{{\rm d} t}\bold{r}^2(t)=0dtdr2(t)=0

从而得到

r2(t)=c\bold{r}^2(t)=cr2(t)=c

∣r(t)∣=∣c∣\lvert \bold{r}(t)\rvert=\sqrt{\lvert c\rvert}r(t)=c

所以 ∣r(t)∣\lvert \bold{r}(t)\rvertr(t) 是常数

必要性

如果 ∣r(t)∣\lvert \bold{r}(t)\rvertr(t) 是常数,那么由

r2(t)=∣r(t)∣2\bold{r}^2(t)=\lvert \bold{r}(t)\rvert^2r2(t)=r(t)2

可知,r2(t)\bold{r}^2(t)r2(t) 是常数。

所以

ddtr2(t)=2r(t)⋅r′(t)=0\frac{\rm d}{{\rm d} t}\bold{r}^2(t)=2\bold{r}(t)\cdot\bold{r}'(t)=0dtdr2(t)=2r(t)r(t)=0


2022年3月31日17:20:09

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