设y(x)是区间 (0,dfrac (3)(2)) 内的可导函数,且 (1)=0, 点P是曲线 :y=y(x)-|||-上的任意一点,L在点P处的切线与y轴相交于点(0,Yp ),法线与x轴相交于点(Xp,0),-|||-若 _(P)=(Y)_(P), 求L上点的坐标(x,y)满足的方程.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查微分方程的建立与求解,涉及几何应用中的切线与法线方程,以及齐次方程的变量替换方法。
解题核心思路:
- 建立几何条件方程:根据题意,切线在y轴的截距$Y_P$等于法线在x轴的截距$X_P$,需分别求出这两个截距表达式。
- 转化为微分方程:通过联立$X_P = Y_P$,整理得到关于$y'(x)$的微分方程。
- 变量替换求解:识别方程为齐次方程,通过令$u = \dfrac{y}{x}$进行变量替换,将方程转化为可分离变量的形式,积分后得到通解。
- 应用初始条件:利用$y(1)=0$确定积分常数,得到特解。
破题关键点:
- 正确写出切线与法线方程,并求出截距$Y_P$和$X_P$。
- 识别齐次方程结构,通过变量替换简化方程。
- 积分过程中的代数变形,确保符号与对数项的正确处理。
1. 求切线与法线的截距
切线方程:在点$(x, y)$处,切线斜率为$y'(x)$,方程为:
$Y - y = y'(x)(X - x)$
当$X = 0$时,切线在y轴的截距为:
$Y_P = y - x y'(x)$
法线方程:法线斜率为$-\dfrac{1}{y'(x)}$,方程为:
$Y - y = -\dfrac{1}{y'(x)}(X - x)$
当$Y = 0$时,法线在x轴的截距为:
$X_P = x + y y'(x)$
2. 建立微分方程
根据条件$X_P = Y_P$,联立得:
$x + y y'(x) = y - x y'(x)$
整理后得到:
$y'(x) = \dfrac{y - x}{y + x}$
3. 变量替换求解
令$u = \dfrac{y}{x}$,则$y = u x$,$y' = u + x \dfrac{du}{dx}$。代入微分方程:
$u + x \dfrac{du}{dx} = \dfrac{u - 1}{1 + u}$
分离变量并积分:
$\int \dfrac{1 + u}{1 + u^2} du = -\int \dfrac{dx}{x}$
积分结果为:
$\arctan u + \dfrac{1}{2} \ln(1 + u^2) = -\ln x + C$
将$u = \dfrac{y}{x}$代回,整理得:
$\ln(x^2 + y^2) + 2 \arctan \dfrac{y}{x} = C$
4. 应用初始条件
当$x = 1$,$y = 0$时,代入得$C = 0$,最终方程为:
$\ln(x^2 + y^2) + 2 \arctan \dfrac{y}{x} = 0$