กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 9 นาที

ปกติ (เรขาคณิต)

ใน ทางเรขาคณิต เส้น ตั้งฉาก (normal) คือ วัตถุ (เช่น เส้นตรง รังสี หรือ เวก เตอร์ ) ที่ ตั้งฉาก กับวัตถุที่กำหนดให้ ตัวอย่างเช่น เส้นตั้งฉาก กับ เส้นโค้งบนระนาบ ณ จุดใด จุด หนึ่ง...

ปกติ (เรขาคณิต)

รูปหลายเหลี่ยมและเวกเตอร์ตั้งฉากสองตัวของรูปหลายเหลี่ยมนั้น
เวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิว ณ จุดใดจุดหนึ่ง จะเหมือนกับเวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบสัมผัสกับพื้นผิว ณ จุดเดียวกันนั้น
เส้นสัมผัสและเส้นตั้งฉากกับเส้นโค้งในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน

ในทางเรขาคณิตเส้นตั้งฉาก (normal) คือวัตถุ (เช่นเส้นตรงรังสีหรือเวกเตอร์ ) ที่ตั้งฉากกับวัตถุที่กำหนดให้ ตัวอย่างเช่นเส้นตั้งฉากกับเส้นโค้งบนระนาบณ จุดใดจุด หนึ่ง คือเส้นตรงอนันต์ที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสของเส้นโค้งณ จุดนั้น

เวกเตอร์ปกติคือเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับวัตถุที่กำหนด ณ จุดใดจุดหนึ่งเวกเตอร์ปกติที่มีความยาวหนึ่งเรียกว่าเวกเตอร์ปกติหน่วยหรือทิศทางปกติเวกเตอร์ความโค้งคือ เวกเตอร์ปกติที่มีความยาวเท่ากับความโค้งของวัตถุ การคูณเวกเตอร์ปกติด้วย−1จะส่งผลให้เกิดเวกเตอร์ตรงข้ามซึ่งอาจใช้เพื่อระบุด้าน (เช่น ภายในหรือภายนอก) หรือทิศทาง (เช่น ตามเข็มนาฬิกาเทียบกับทวนเข็มนาฬิกามือขวาเทียบกับมือซ้าย )

ในปริภูมิสามมิติเวก เตอร์ตั้ง ฉากกับพื้นผิวณ จุดPหรือเรียกสั้น ๆ ว่าเวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวสนามเวกเตอร์ ของทิศทาง ตั้งฉากกับพื้นผิวเรียกว่าแผนที่เกาส์คำว่า "ตั้งฉาก" ยังใช้เป็นคำคุณศัพท์ได้ด้วย เช่น เส้นตั้งฉากกับระนาบ ส่วนประกอบ ตั้งฉากของแรงเป็นต้น แนวคิดเรื่องความตั้งฉากสามารถขยายไปสู่ความเป็น มุมฉากได้

แนวคิดนี้ได้รับการขยายไปสู่แมนิโฟลด์ที่สามารถหาอนุพันธ์ได้ซึ่งมีมิติใดๆ ก็ตามที่ฝังอยู่ในปริภูมิยูคลิดปริภูมิเวกเตอร์ปกติหรือ ปริภูมิเวกเตอร์ตั้ง ฉากของแมนิโฟลด์ ณ จุดคือเซตของเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับปริภูมิเวกเตอร์สัมผัสณ จุดนั้น เวกเตอร์ปกติมีความสำคัญเป็นพิเศษในกรณีของเส้นโค้งเรียบและ พื้น ผิว เรียบ

เวกเตอร์ปกติ (normal) มักถูกใช้ในกราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ (สังเกตว่าเป็นเอกพจน์ เนื่องจากจะมีเวกเตอร์ปกติเพียงเวกเตอร์เดียวที่ถูกกำหนด) เพื่อกำหนดทิศทางของพื้นผิวเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการแรเงาแบบเรียบหรือเพื่อกำหนดทิศทางของมุมแต่ละมุม ( จุดยอด ) ของพื้นผิวเพื่อจำลองพื้นผิวโค้งด้วย การแรเงา แบบ Phong

จุดปลายของเวกเตอร์ปกติ ณ จุดสนใจQ (ซึ่งคล้ายคลึงกับจุดปลายของเวกเตอร์ตั้งฉาก ) สามารถกำหนดได้ที่จุดPบนพื้นผิวที่เวกเตอร์ปกติผ่านจุด QระยะทางปกติของจุดQกับเส้นโค้งหรือพื้นผิว คือระยะ ทางแบบยุคลิดระหว่างQกับจุดปลายP

ตั้งฉากกับเส้นโค้งในอวกาศ

ทิศทางตั้งฉาก (สีแดง) กับเส้นโค้ง (สีดำ)

ทิศทางปกติของเส้นโค้งในอวกาศคือ:

โดยที่คือรัศมีของความโค้ง (ส่วนกลับของความโค้ง ) และ คือเวกเตอร์สัมผัสในรูปของตำแหน่งบนเส้นโค้งและความยาวส่วนโค้ง:

ตั้งฉากกับระนาบและรูปหลายเหลี่ยม

สมการระนาบในรูปแบบปกติ

สำหรับรูปหลายเหลี่ยมแบบนูน (เช่นสามเหลี่ยม ) เวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวสามารถคำนวณได้จากผลคูณ เวกเตอร์ ของขอบสองด้าน (ที่ไม่ขนานกัน) ของรูปหลายเหลี่ยมนั้น

สำหรับระนาบ ที่กำหนดโดยสม การระนาบใน รูปแบบทั่วไปเวกเตอร์นั้นจะเป็นเวกเตอร์ตั้งฉาก

สำหรับระนาบที่มีสมการอยู่ในรูปพาราเมตริก โดยที่เป็นจุดบนระนาบ และเป็นเวกเตอร์ที่ไม่ขนานกันและชี้ไปตามระนาบ เวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบ คือเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับทั้งและซึ่งสามารถหาได้จากผลคูณเวกเตอร์

พื้นผิวปกติในพื้นที่ 3 มิติ

พื้นผิวโค้งแสดงเวกเตอร์ปกติหน่วย (ลูกศรสีฟ้า) ที่ชี้ไปยังพื้นผิว

ถ้าพื้นผิว (ซึ่งอาจไม่ใช่พื้นผิวเรียบ) ในปริภูมิ 3 มิติถูกกำหนดพารามิเตอร์โดยระบบพิกัดโค้งที่มี ตัวแปร จริง x และ y แล้ว เวกเตอร์ตั้งฉาก กับพื้นผิว Sตามคำนิยาม ก็คือเวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบสัมผัส ซึ่งกำหนดโดยผลคูณเวกเตอร์ของอนุพันธ์ย่อย

ถ้าพื้นผิวถูกกำหนดโดยปริยายว่าเป็นเซตของจุดที่สอดคล้องกับเงื่อนไข แล้วเวกเตอร์ตั้งฉากที่จุดบนพื้นผิวจะหาได้จากเกรเดียนต์ เนื่องจากเกรเดียนต์ที่จุดใดๆ จะตั้งฉากกับเซตระดับของ พื้นผิวนั้น

สำหรับพื้นผิวที่กำหนดเป็นกราฟของฟังก์ชัน เราสามารถหาเวกเตอร์ปกติที่ชี้ขึ้นได้จากพาราเมตริกซ์ที่ให้ หรือได้ง่ายกว่าจากรูปแบบโดยปริยายที่ให้ เนื่องจากพื้นผิวไม่มีระนาบสัมผัสที่จุดเอกฐานจึงไม่มีเวกเตอร์ปกติที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนที่จุดนั้น เช่น จุดยอดของกรวยโดยทั่วไปแล้ว เราสามารถกำหนดเวกเตอร์ปกติได้เกือบทุกที่สำหรับพื้นผิวที่มีความต่อเนื่องแบบลิปชิตซ์

ปฐมนิเทศ

สนามเวกเตอร์ของเส้นตั้งฉากกับพื้นผิว

เวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิว (หรือไฮเปอร์พื้นผิว) มักถูกปรับขนาดให้มีความยาวหนึ่งหน่วยแต่ไม่มีทิศทางที่แน่นอน เนื่องจากเวกเตอร์ตรงข้ามก็เป็นเวกเตอร์ตั้งฉากที่มีหน่วยเช่นกัน สำหรับพื้นผิวที่เป็นขอบเขตทางโทโพโลยีของเซตในสามมิติ เราสามารถแยกแยะทิศทางของเวกเตอร์ตั้งฉากได้ สองแบบ คือเวกเตอร์ตั้งฉากที่ชี้เข้าด้านในและเวกเตอร์ตั้งฉากที่ชี้ออกด้านนอกสำหรับพื้นผิวที่มีทิศทาง เวกเตอร์ตั้งฉากมักถูกกำหนดโดยกฎมือขวาหรือกฎที่คล้ายคลึงกันในมิติที่สูงกว่า

ถ้าเวกเตอร์ปกติถูกสร้างขึ้นโดยใช้ผลคูณเชิงเวกเตอร์ของเวกเตอร์สัมผัส (ตามที่อธิบายไว้ในข้อความข้างต้น) เวกเตอร์ปกตินั้นจะเป็น เวก เตอร์ เทียม

การแปลงเวกเตอร์ปกติ

เมื่อทำการแปลงพื้นผิว มักจะเป็นประโยชน์ที่จะหาเวกเตอร์ตั้งฉากของพื้นผิวที่ได้จากการแปลงนั้นจากเวกเตอร์ตั้งฉากเดิม

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อกำหนดเมทริกซ์การแปลงขนาด 3×3 เราสามารถหาเมทริกซ์ที่แปลงเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับระนาบสัมผัสให้เป็นเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับระนาบสัมผัสที่แปลงแล้วได้โดยใช้ตรรกะดังต่อไปนี้:

เขียนn′เป็นเราต้องหา

เลือกค่าที่ทำให้ หรือสอดคล้องกับสมการข้างต้น โดยให้ค่าตั้งฉากกับหรือค่าตั้งฉากกับตามที่ต้องการ

ดังนั้น จึงควรใช้เมทริกซ์ผกผันของการแปลงเชิงเส้นเมื่อทำการแปลงเวกเตอร์ตั้งฉากของพื้นผิว เมทริกซ์ผกผันจะมีค่าเท่ากับเมทริกซ์เดิมหากเมทริกซ์นั้นเป็นเมทริกซ์ตั้งฉากปกติ กล่าวคือ เป็นเมทริกซ์ที่เกิดจากการหมุนอย่างเดียวโดยไม่มีการปรับขนาดหรือการเฉือน

พื้น ผิวหลายมิติใน ปริภูมิ nมิติ

สำหรับระนาบไฮเปอร์มิติ n ในปริภูมิ n มิติที่กำหนดโดยการแสดงแบบพาราเมตริก โดยที่เป็นจุดบนระนาบไฮเปอร์ และเป็นเวกเตอร์อิสระเชิงเส้นที่ชี้ไปตามระนาบไฮเปอร์ เวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบไฮเปอร์ คือ เวกเตอร์ใดๆในปริภูมิว่างของเมทริกซ์ ซึ่ง หมายความว่านั่น คือ เวกเตอร์ใดๆ ที่ตั้งฉากกับเวกเตอร์ทั้งหมดในระนาบ จะเป็นเวก เตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวตามนิยาม หรืออีกทางหนึ่ง หากระนาบไฮเปอร์ถูกกำหนดให้เป็นเซตคำตอบของสมการเชิงเส้นเดี่ยวเวกเตอร์ ก็จะเป็นเวกเตอร์ตั้งฉาก

นิยามของเวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวในปริภูมิสามมิติสามารถขยายไปสู่ไฮเปอร์เซอร์เฟซมิติใน ได้ ไฮเปอร์เซอร์เฟ ซอาจถูก กำหนด ในระดับท้องถิ่นโดยปริยายว่าเป็นเซตของจุดที่สอดคล้องกับสมการโดยที่เป็นฟังก์ชันสเกลาร์ ที่กำหนดให้ ถ้าเป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่องไฮเปอร์เซอร์เฟซจะเป็นแมนิโฟลด์ที่หาอนุพันธ์ได้ในบริเวณใกล้เคียงจุดที่เกรเดียนต์ไม่เป็นศูนย์ ที่จุดเหล่านี้ เวกเตอร์ตั้งฉากจะกำหนดโดยเกรเดียนต์:

เส้นปกติคือปริภูมิย่อยหนึ่งมิติที่มีฐาน

เวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับปริภูมิที่เกิดจากเวกเตอร์อิสระเชิงเส้นv 1 , ..., v r −1และตกอยู่ใน ปริภูมิ rมิติที่เกิดจากเวกเตอร์อิสระเชิงเส้น v 1 , ..., v rจะถูกกำหนดโดย คอลัมน์ ที่rของเมทริกซ์Λ = V ( V T V ) −1โดยที่เมทริกซ์V = ( v 1 , ..., v r )คือการเรียงต่อกันของ เวกเตอร์คอลัมน์ r ตัว (พิสูจน์: Λคือเมทริกซ์V คูณด้วย V ดังนั้นแต่ละคอลัมน์ของ Λเป็นผลรวมเชิงเส้นของคอลัมน์ของVยิ่งไปกว่านั้นV T Λ = Iดังนั้นแต่ละคอลัมน์ของVยกเว้นคอลัมน์สุดท้ายจะตั้งฉากกับคอลัมน์สุดท้ายของΛ ) สูตรนี้ใช้ได้แม้ว่าr จะน้อย กว่า มิติของปริภูมิยุคลิดn สูตร จะ ลดรูปเป็นΛ = ( V T ) −1เมื่อr = n

ความหลากหลายที่กำหนดโดยสมการโดยปริยายใน ปริภูมิ nมิติ

วาไรตี้เชิงอนุพันธ์ที่กำหนดโดยสมการโดยปริยายในปริภูมิ n มิติคือเซตของศูนย์ร่วมของเซตจำกัดของฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ในตัวแปร เมทริกซ์ จาโคเบียนของวาไรตี้คือเมทริกซ์ที่มีแถวที่ n เป็นเกรเดียนต์ของโดยทฤษฎีบทฟังก์ชันโดยปริยาย วาไรตี้คือแมนิโฟลด์ในบริเวณใกล้เคียงจุดที่เมทริกซ์จาโคเบียนมีอันดับn ที่จุดดังกล่าวปริภูมิเวกเตอร์ปกติคือปริภูมิเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นจากค่าที่จุดนั้นของเวกเตอร์เกรเดียนต์ของ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความหลากหลายถูกนิยามว่าเป็นจุดตัดของไฮเปอร์เซอร์เฟซ และปริภูมิเวกเตอร์ปกติ ณ จุดหนึ่ง คือปริภูมิเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นจากเวกเตอร์ปกติของไฮเปอร์เซอร์เฟซ ณ จุดนั้น

ปริภูมิปกติ (เชิงเส้นตรง)ณ จุดหนึ่งในวาไรตี้ คือปริภูมิย่อยเชิงเส้นตรงที่ผ่านและสร้างขึ้นโดยปริภูมิเวกเตอร์ปกติ ณ จุดนั้น

คำจำกัดความเหล่านี้สามารถขยายความได้ตรงตามตัวอักษรจนถึงจุดที่ความหลากหลายไม่ใช่แบบหลายทาง (manifold)

ตัวอย่าง

ให้Vเป็นวาไรตี้ที่กำหนดในปริภูมิ 3 มิติโดยสมการ วา ไรตี้นี้คือการรวมกันของแกน x และแกน y

ณ จุดที่แถวของเมทริกซ์จาโคเบียนคือและดังนั้น ระนาบเชิงเส้นปกติคือระนาบของสมการ ในทำนอง เดียวกัน หากระนาบปกติที่คือระนาบของสมการ

ณ จุดนั้นแถวของเมทริกซ์จาโคเบียนคือและดังนั้นปริภูมิเวกเตอร์ปกติและปริภูมิเชิงเส้นปกติจึงมีมิติ 1 และปริภูมิเชิงเส้นปกติคือแกน x

การใช้งาน

ปกติในทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต

แผนภาพการสะท้อนแบบกระจกเงา

เดอะรังสีปกติคือรังสีที่ชี้ออกไปด้านนอกตั้งฉากกับพื้นผิวของตัวกลางทางแสงณ จุดที่กำหนด [ 2 ]ในการสะท้อนของแสงมุมตกกระทบและมุมสะท้อนคือมุมระหว่างเส้นปกติและรังสีตกกระทบ(บนระนาบตกกระทบ) และมุมระหว่างเส้นปกติและรังสีสะท้อน ตามลำดับ

ดูเพิ่มเติม

  • ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "เวกเตอร์ปกติ" . MathWorld .
  • คำอธิบายเกี่ยวกับเวกเตอร์ปกติจาก MSDN ของ Microsoft
  • รหัสเทียมที่ชัดเจนสำหรับ การคำนวณเวก เตอร์ตั้งฉากของพื้นผิว จากรูปสามเหลี่ยมหรือรูปหลายเหลี่ยม ( เก็บถาวร เมื่อ 2016-08-18 ที่Wayback Machine )
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Normal_(geometry)&oldid=1347731306 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ปกติ (เรขาคณิต)

ใน ทางเรขาคณิต เส้น ตั้งฉาก (normal) คือ วัตถุ (เช่น เส้นตรง รังสี หรือ เวก เตอร์ ) ที่ ตั้งฉาก กับวัตถุที่กำหนดให้ ตัวอย่างเช่น เส้นตั้งฉาก กับ เส้นโค้งบนระนาบ ณ จุดใด จุด หนึ่ง...

ตั้งฉากกับระนาบและรูปหลายเหลี่ยม

สำหรับ รูปหลายเหลี่ยม แบบนูน (เช่น สามเหลี่ยม ) เวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวสามารถคำนวณได้จาก ผลคูณ เวกเตอร์ ของขอบสองด้าน (ที่ไม่ขนานกัน) ของรูปหลายเหลี่ยมนั้น

พื้นผิวปกติในพื้นที่ 3 มิติ

ถ้าพื้นผิว (ซึ่งอาจไม่ใช่พื้นผิวเรียบ) ในปริภูมิ 3 มิติถูก กำหนดพารามิเตอร์ โดยระบบ พิกัดโค้งที่ มี ตัวแปร จริง x และ y แล้ว เวกเตอร์ตั้งฉาก กับพื้นผิว S ตามคำนิยาม ก็คือเวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบสัมผัส ซึ่งกำหนดโดยผลคูณเวกเตอร์ของ อนุพันธ์ย่อย เอส...

ปฐมนิเทศ

เวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิว (หรือไฮเปอร์พื้นผิว) มักถูกปรับขนาดให้มี ความยาวหนึ่งหน่วย แต่ไม่มีทิศทางที่แน่นอน เนื่องจากเวกเตอร์ตรงข้ามก็เป็นเวกเตอร์ตั้งฉากที่มีหน่วยเช่นกัน สำหรับพื้นผิวที่เป็น ขอบเขตทางโทโพโลยี ของเซตในสามมิติ เราสามารถแยกแยะทิศทางของ...