题目
空间曲线 {x=4 cos t y=sin t z=t. 在点 (0,1,(pi)/(2)) 处的法平面方程为 A 4x-z+(pi)/(2)=0 B 4y-z+(pi)/(2)=0 C 4x-z-(pi)/(2)=0 D 4y-z-(pi)/(2)=0
空间曲线 $\left\{\begin{array}{l}x=4 \cos t \\ y=\sin t \\ z=t\end{array}\right.$ 在点 $\left(0,1,\frac{\pi}{2}\right)$ 处的法平面方程为
A $4x-z+\frac{\pi}{2}=0$
B $4y-z+\frac{\pi}{2}=0$
C $4x-z-\frac{\pi}{2}=0$
D $4y-z-\frac{\pi}{2}=0$
题目解答
答案
为了找到空间曲线$\left\{\begin{matrix}x=4\cos t\\y=\sin t\\z=t\end{matrix}\right.$在点$(0,1,\frac{\pi}{2})$处的法平面方程,我们需要遵循以下步骤:
1. **找到对应于点$(0,1,\frac{\pi}{2})$的参数 $t$ 的值:**
从方程 $z = t$,我们看到 $t = \frac{\pi}{2}$。
将 $t = \frac{\pi}{2}$ 代入 $x$ 和 $y$ 的方程中:
\[
x = 4\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 4 \cdot 0 = 0
\]
\[
y = \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1
\]
点 $(0,1,\frac{\pi}{2})$ 确实位于曲线上。
2. **找到曲线在 $t = \frac{\pi}{2}$ 处的切向量:**
切向量 $\mathbf{r}'(t)$ 是位置向量 $\mathbf{r}(t) = \langle 4\cos t, \sin t, t \rangle$ 关于 $t$ 的导数:
\[
\mathbf{r}'(t) = \left\langle \frac{d}{dt}(4\cos t), \frac{d}{dt}(\sin t), \frac{d}{dt}(t) \right\rangle = \langle -4\sin t, \cos t, 1 \rangle
\]
在 $t = \frac{\pi}{2}$ 处评估切向量:
\[
\mathbf{r}'\left(\frac{\pi}{2}\right) = \left\langle -4\sin\left(\frac{\pi}{2}\right), \cos\left(\frac{\pi}{2}\right), 1 \right\rangle = \langle -4, 0, 1 \rangle
\]
3. **找到法平面的方程:**
法平面在点 $\mathbf{r}(t_0)$ 处与切向量 $\mathbf{r}'(t_0)$ 垂直。法平面的法向量是 $\mathbf{r}'\left(\frac{\pi}{2}\right) = \langle -4, 0, 1 \rangle$。
点法式平面方程由下式给出:
\[
\mathbf{n} \cdot (\mathbf{r} - \mathbf{r_0}) = 0
\]
其中 $\mathbf{n}$ 是法向量,$\mathbf{r_0}$ 是平面上的一点,$\mathbf{r} = \langle x, y, z \rangle$。
代入 $\mathbf{n} = \langle -4, 0, 1 \rangle$ 和 $\mathbf{r_0} = \langle 0, 1, \frac{\pi}{2} \rangle$:
\[
\langle -4, 0, 1 \rangle \cdot \left\langle x - 0, y - 1, z - \frac{\pi}{2} \right\rangle = 0
\]
\[
-4(x - 0) + 0(y - 1) + 1\left(z - \frac{\pi}{2}\right) = 0
\]
\[
-4x + z - \frac{\pi}{2} = 0
\]
\[
4x - z + \frac{\pi}{2} = 0
\]
因此,法平面的方程是 $\boxed{4x - z + \frac{\pi}{2} = 0}$。
正确选项是 $\boxed{A}$。
解析
考查要点:本题主要考查空间曲线在某一点处的法平面方程的求解方法,涉及参数方程的导数计算、切向量的确定以及平面方程的建立。
解题核心思路:
- 确定参数值:根据给定点的坐标,找到对应的参数$t$。
- 求切向量:对参数方程求导得到切向量。
- 建立法平面方程:利用切向量作为法向量,结合给定点坐标,写出平面方程。
破题关键点:
- 参数$t$的确定:通过$z=t$直接得出$t=\frac{\pi}{2}$。
- 切向量的计算:正确求导参数方程的各分量。
- 平面方程的构造:法向量为切向量,代入点法式方程。
步骤1:确定参数$t$的值
给定点$(0,1,\frac{\pi}{2})$,由$z=t$得$t=\frac{\pi}{2}$。验证$x$和$y$的值:
- $x=4\cos\left(\frac{\pi}{2}\right)=0$,
- $y=\sin\left(\frac{\pi}{2}\right)=1$,
符合题意。
步骤2:求切向量
对参数方程求导:
$\mathbf{r}'(t) = \left\langle -4\sin t, \cos t, 1 \right\rangle.$
代入$t=\frac{\pi}{2}$:
$\mathbf{r}'\left(\frac{\pi}{2}\right) = \langle -4, 0, 1 \rangle.$
步骤3:建立法平面方程
法平面的法向量为$\langle -4, 0, 1 \rangle$,点法式方程为:
$-4(x-0) + 0(y-1) + 1\left(z-\frac{\pi}{2}\right) = 0.$
化简得:
$4x - z + \frac{\pi}{2} = 0.$