题目
曲线 y = f(x) 由方程 xy + ln(y + x) - 1 = 0 所确定,求曲线在 x = 0 处的切线方程和法线方程.
曲线 $y = f(x)$ 由方程 $xy + \ln(y + x) - 1 = 0$ 所确定,求曲线在 $x = 0$ 处的切线方程和法线方程.
题目解答
答案
-
求 $x = 0$ 时的 $y$ 值:
代入方程 $xy + \ln(y + x) - 1 = 0$,得 $\ln y = 1$,解得 $y = e$。
故点为 $(0, e)$。 -
求导数 $y'$(切线斜率):
对原方程两边求导,得 $y + xy' + \frac{y' + 1}{y + x} = 0$。
代入 $x = 0$,$y = e$,解得 $y' = -e^2 - 1$。 -
切线方程:
斜率 $k = -e^2 - 1$,方程为 $y - e = (-e^2 - 1)(x - 0)$,即 $y = (-e^2 - 1)x + e$ 或 $(e^2 + 1)x + y - e = 0$。 -
法线方程:
斜率 $k_{\text{法线}} = \frac{1}{e^2 + 1}$,方程为 $y - e = \frac{1}{e^2 + 1}(x - 0)$,即 $y = \frac{1}{e^2 + 1}x + e$ 或 $x - (e^2 + 1)y + e^3 + e = 0$。
答案:
切线方程:$\boxed{(e^2 + 1)x + y - e = 0}$
法线方程:$\boxed{x - (e^2 + 1)y + e^3 + e = 0}$
(或切线:$y = (-e^2 - 1)x + e$,法线:$y = \frac{1}{e^2 + 1}x + e$)
解析
本题考查隐函数求导以及曲线切线方程和法线方程的求解。解题思路如下:
- 首先,将$x = 0$代入给定的曲线方程$xy + \ln(y + x) - 1 = 0$,求出对应的$y$值,从而确定切点坐标。
- 然后,对曲线方程两边关于$x$求导,利用求导的四则运算法则和复合函数求导法则,得到$y'$的表达式。
- 接着,把切点的$x$、$y$值代入$y'$的表达式,求出切线的斜率$k$。
- 最后,根据点斜式方程$y - y_0 = k(x - x_0)$(其中$(x_0,y_0)$为切点坐标,$k$为斜率)分别求出切线方程和法线方程。由于法线与切线垂直,所以法线的斜率$k_{法线}$与切线斜率$k$的乘积为$-1$,即$k_{法线}=-\frac{1}{k}$。
具体计算过程
- 求切点坐标:
将$x = 0$代入方程$xy + \ln(y + x) - 1 = 0$,得到:
$0\times y+\ln(y + 0)-1 = 0$,即$\ln y = 1$。
根据对数的性质,若$\ln a = b$,则$a = e^b$,所以$y = e$,故切点坐标为$(0,e)$。 - 求$y'$:
对原方程$xy + \ln(y + x) - 1 = 0$两边关于$x$求导。- 根据乘积的求导法则$(uv)^\prime = u^\prime v + uv^\prime$,对$xy$求导得$(xy)^\prime = y + xy'$。
- 根据复合函数求导法则,令$u = y + x$,则$(\ln(y + x))^\prime=\frac{1}{y + x}\times(y + x)^\prime=\frac{y' + 1}{y + x}$。
- 常数$-1$的导数为$0$。
所以求导后得到$y + xy' + \frac{y' + 1}{y + x} = 0$。
- 求切线斜率$k$:
将$x = 0$,$y = e$代入$y + xy' + \frac{y' + 1}{y + x} = 0$,得到:
$e+0\times y'+\frac{y' + 1}{e + 0} = 0$,即$e+\frac{y' + 1}{e} = 0$。
等式两边同时乘以$e$得:$e^2 + y' + 1 = 0$,移项可得$y' = -e^2 - 1$,所以切线的斜率$k = -e^2 - 1$。 - 求切线方程:
根据点斜式方程$y - y_0 = k(x - x_0)$,其中$(x_0,y_0)=(0,e)$,$k = -e^2 - 1$,可得切线方程为$y - e = (-e^2 - 1)(x - 0)$,即$y = (-e^2 - 1)x + e$。
将其化为一般式:$(e^2 + 1)x + y - e = 0$。 - 求法线方程:
因为法线与切线垂直,所以法线的斜率$k_{法线}=-\frac{1}{k}=-\frac{1}{-e^2 - 1}=\frac{1}{e^2 + 1}$。
再根据点斜式方程,可得法线方程为$y - e = \frac{1}{e^2 + 1}(x - 0)$,即$y = \frac{1}{e^2 + 1}x + e$。
将其化为一般式:
$(e^2 + 1)y=(x + e(e^2 + 1))$,即$x - (e^2 + 1)y + e^3 + e = 0$。