法线方程的求解方法主要依赖于切线的斜率,因为法线是与切线垂直的直线。以下是法线方程的一般求解步骤:
求切线斜率
对于函数 ( y = f(x) ),在点 ( (a, f(a)) ) 处的切线斜率为 ( f'(a) )。
求法线斜率
由于法线与切线垂直,它们的斜率乘积为 -1。因此,法线的斜率 ( m_n ) 为 ( -frac{1}{f'(a)} )。
利用点斜式求法线方程
点斜式方程为 ( y - y_1 = m(x - x_1) ),其中 ( (x_1, y_1) ) 是已知点,( m ) 是斜率。
将已知点和求得的法线斜率代入点斜式,得到法线方程:
[ y - f(a) = -frac{1}{f'(a)}(x - a) ]
示例
假设曲线方程为 ( y = x^3 ),在点 ( (1, 3) ) 处的切线斜率为 ( 3 )(因为 ( y' = 3x^2 ),在 ( x = 1 ) 处 ( y' = 3 ))。
求切线斜率
( f'(x) = 3x^2 )
在 ( x = 1 ) 处,斜率 ( f'(1) = 3 )
求法线斜率
法线斜率 ( m_n = -frac{1}{3} )
利用点斜式求法线方程
点斜式方程: ( y - 3 = 3(x - 1) )
代入法线斜率: ( y - 3 = -frac{1}{3}(x - 1) )
整理得: ( y = -frac{1}{3}x + frac{10}{3} )
因此,曲线 ( y = x^3 ) 在点 ( (1, 3) ) 处的法线方程为 ( y = -frac{1}{3}x + frac{10}{3} )。
总结
法线方程的求解关键在于先求出切线斜率,然后利用斜率的负倒数求出法线斜率,最后利用点斜式方程求出法线方程。对于直线,法线是它的垂线,斜率为该直线斜率的负倒数。