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法线方程公式

曲线在某点处的法线方程 对于函数y = f ( x ) y = f(x)y=f(x)在点( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)(x0​,y0​)处 首先求该点处切线的斜率k 切 k_{切}k切​,函数y = f ( x ) y = f(x)y=f(x)在x = x 0 x = x_0x=x0​处的导数f ′ ( x 0 ) f^\prime(x_0)f′(x0​)就是切线的斜率,即k 切 = f ′ ( x 0 ) k_{切}=f^\prime(x_0)k切​=f′(x0​)。

因为法线与切线垂直,两条垂直直线斜率之积为− 1 - 1−1,所以法线的斜率k 法 = − 1 f ′ ( x 0 ) k_{法}=-\frac{1}{f^\prime(x_0)}k法​=−f′(x0​)1​(前提是f ′ ( x 0 ) ≠ 0 f^\prime(x_0)\neq0f′(x0​)=0 )。

已知法线过点( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)(x0​,y0​),且斜率为k 法 k_{法}k法​,根据点斜式直线方程y − y 1 = k ( x − x 1 ) y - y_1 = k(x - x_1)y−y1​=k(x−x1​)(这里( x 1 , y 1 ) = ( x 0 , y 0 ) (x_1,y_1)=(x_0,y_0)(x1​,y1​)=(x0​,y0​) ,k = k 法 k = k_{法}k=k法​),可得法线方程为y − y 0 = − 1 f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) y - y_0 = -\frac{1}{f^\prime(x_0)}(x - x_0)y−y0​=−f′(x0​)1​(x−x0​)。

对于由方程F ( x , y ) = 0 F(x,y)=0F(x,y)=0确定的隐函数在点( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)(x0​,y0​)处 先通过隐函数求导求出d y d x \frac{dy}{dx}dxdy​在( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)(x0​,y0​)处的值k 切 k_{切}k切​。

对F ( x , y ) = 0 F(x,y)=0F(x,y)=0两边同时对x xx求导,利用复合函数求导法则得到F x + F y d y d x = 0 F_x + F_y\frac{dy}{dx}=0Fx​+Fy​dxdy​=0,则d y d x = − F x F y \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}dxdy​=−Fy​Fx​​(F y ≠ 0 F_y\neq0Fy​=0 ),那么在点( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)(x0​,y0​)处切线斜率k 切 = − F x ( x 0 , y 0 ) F y ( x 0 , y 0 ) k_{切}=-\frac{F_x(x_0,y_0)}{F_y(x_0,y_0)}k切​=−Fy​(x0​,y0​)Fx​(x0​,y0​)​。

法线斜率k 法 = F y ( x 0 , y 0 ) F x ( x 0 , y 0 ) k_{法}=\frac{F_y(x_0,y_0)}{F_x(x_0,y_0)}k法​=Fx​(x0​,y0​)Fy​(x0​,y0​)​(F x ( x 0 , y 0 ) ≠ 0 F_x(x_0,y_0)\neq0Fx​(x0​,y0​)=0 ),法线方程为y − y 0 = F y ( x 0 , y 0 ) F x ( x 0 , y 0 ) ( x − x 0 ) y - y_0=\frac{F_y(x_0,y_0)}{F_x(x_0,y_0)}(x - x_0)y−y0​=Fx​(x0​,y0​)Fy​(x0​,y0​)​(x−x0​)。

曲面在某点处的法线方程 对于曲面z = f ( x , y ) z = f(x,y)z=f(x,y)在点P ( x 0 , y 0 , z 0 ) P(x_0,y_0,z_0)P(x0​,y0​,z0​)(其中z 0 = f ( x 0 , y 0 ) z_0 = f(x_0,y_0)z0​=f(x0​,y0​))处 首先求偏导数,f x ( x 0 , y 0 ) f_x(x_0,y_0)fx​(x0​,y0​)和f y ( x 0 , y 0 ) f_y(x_0,y_0)fy​(x0​,y0​)。

曲面在该点处的法向量n ⃗ = ( − f x ( x 0 , y 0 ) , − f y ( x 0 , y 0 ) , 1 ) \vec{n}=( - f_x(x_0,y_0), - f_y(x_0,y_0),1)n=(−fx​(x0​,y0​),−fy​(x0​,y0​),1)。

则曲面在点P ( x 0 , y 0 , z 0 ) P(x_0,y_0,z_0)P(x0​,y0​,z0​)处的法线方程为x − x 0 − f x ( x 0 , y 0 ) = y − y 0 − f y ( x 0 , y 0 ) = z − z 0 1 \frac{x - x_0}{-f_x(x_0,y_0)}=\frac{y - y_0}{-f_y(x_0,y_0)}=\frac{z - z_0}{1}−fx​(x0​,y0​)x−x0​​=−fy​(x0​,y0​)y−y0​​=1z−z0​​。

对于由方程F ( x , y , z ) = 0 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0确定的曲面在点P ( x 0 , y 0 , z 0 ) P(x_0,y_0,z_0)P(x0​,y0​,z0​)处 先求偏导数F x ( x 0 , y 0 , z 0 ) F_x(x_0,y_0,z_0)Fx​(x0​,y0​,z0​),F y ( x 0 , y 0 , z 0 ) F_y(x_0,y_0,z_0)Fy​(x0​,y0​,z0​),F z ( x 0 , y 0 , z 0 ) F_z(x_0,y_0,z_0)Fz​(x0​,y0​,z0​)。

曲面在该点处的法向量n ⃗ = ( F x ( x 0 , y 0 , z 0 ) , F y ( x 0 , y 0 , z 0 ) , F z ( x 0 , y 0 , z 0 ) ) \vec{n}=(F_x(x_0,y_0,z_0),F_y(x_0,y_0,z_0),F_z(x_0,y_0,z_0))n=(Fx​(x0​,y0​,z0​),Fy​(x0​,y0​,z0​),Fz​(x0​,y0​,z0​))。

那么法线方程为x − x 0 F x ( x 0 , y 0 , z 0 ) = y − y 0 F y ( x 0 , y 0 , z 0 ) = z − z 0 F z ( x 0 , y 0 , z 0 ) \frac{x - x_0}{F_x(x_0,y_0,z_0)}=\frac{y - y_0}{F_y(x_0,y_0,z_0)}=\frac{z - z_0}{F_z(x_0,y_0,z_0)}Fx​(x0​,y0​,z0​)x−x0​​=Fy​(x0​,y0​,z0​)y−y0​​=Fz​(x0​,y0​,z0​)z−z0​​。