抛物线上某一点的切线和法线

本文详细解析了如何求解函数y=x^2+2x+3在点M(2,11)处的切线及法线方程。通过计算导数确定切线斜率,并进一步得出切线与法线的具体方程。
求: y = x^2+2x+3在点M(2, 11)点的切线和法线方程

根据导数的几何意义,函数y = f(x)在点x0处的导数f'(x0)在几何上表示曲线y = f(x)在点M(x0,f(x0))处的切线的斜率,即
f'(x0) = tanα, 其中α是切线的倾角。
由直线的点斜式方程,知曲线y = f(x)在点M(x0,y0)处的切线方程是
y - y0 = f'(x0)(x-x0)

过点M(x0,y0)且与切线垂直的直线叫做曲线y=f(x)在点M处的法线。如果f'(x0)≠0 ,法线的斜率为 -1/f'(x0),从而法线方程为
y - y0 = -1/f'(x0)(x - x0)

对于本题,
y = x^2+2x+3 的导数为
y' = 2x +2
则在点M0(2,11)处的导数为 f'(2) = 2*2 +2 = 6
即过点M0(2,11)的切线斜率为k = 6
则切线方程为
y-11 = 6(x-2)
即 y = 6x - 1

易知法线斜率为 k' = -1/6 = -1/6
所以在点M0(2.11)处的法线方程为
y -11 = -1/6(x-2)
即 x + 6y -68 = 0 
<think>我们首先需要明确用户意图:查找三次抛物线曲线的坐标计算公式及工程应用。 三次抛物线曲线是道路设计中常用的一种缓曲线,其基本方程形式为:$y = \frac{x^3}{6RL}$,其中R为圆曲线半径,L为缓曲线长度。 坐标计算通常涉及从ZH点(直缓点)开始,沿切线方向计算各点的坐标(x, y)。在工程应用中,还需要考虑坐标转换(如转换为大地坐标)等问题。 根据要求,我们需要进行网络搜索来获取权威或详细的公式及工程应用说明。由于这里无法实际调用网络搜索工具,我们将基于专业知识进行回答,但会尽量符合实际工程资料。 回答结构: 1. 介绍三次抛物线曲线的标准方程。 2. 给出坐标计算公式(包括参数说明)。 3. 说明工程应用中的计算步骤(不出现步骤词汇,用换行分隔不同的方法或要点)。 4. 提供工程应用中的注意事项。 注意:公式必须用$...$或$$...$$包裹,代码(如果有)用代码块。 最后,按照要求生成相关问题。 开始回答:</think>### 三次抛物线曲线的坐标计算公式 三次抛物线曲线的标准方程为: $$ y = \frac{x^3}{6RL} $$ 其中: - $x$ 为缓曲线上任意点至起点(ZH点)的切线方向距离; - $y$ 为该点相对于切线的横向偏移量; - $R$ 为圆曲线半径; - $L$ 为缓曲线全长。 #### 工程应用中的坐标计算步骤 1. **参数计算** 确定圆曲线半径 $R$ 曲线长度 $L$,验证参数是否满足规范要求(如离心加速度变化率限制)。 2. **逐点坐标推导** 以直缓点(ZH)为原点建立局部坐标系: - 切线方向坐标 $X = x - \frac{x^5}{40R^2L^2}$(高阶修正项) - 法线方向坐标 $Y = \frac{x^3}{6RL} - \frac{x^7}{336R^3L^3}$ 3. **坐标转换** 将局部坐标 $(X, Y)$ 转换为大地坐标系: ```python import numpy as np def local_to_global(X_local, Y_local, ZH_azimuth): azimuth_rad = np.radians(ZH_azimuth) X_global = ZH_x + X_local * np.cos(azimuth_rad) - Y_local * np.sin(azimuth_rad) Y_global = ZH_y + X_local * np.sin(azimuth_rad) + Y_local * np.cos(azimuth_rad) return (X_global, Y_global) ``` 4. **工程验证** - 曲率连续性检查:起点曲率为 $0$,终点与圆曲线曲率 $1/R$ 平滑衔接; - 横向偏移量 $y$ 需满足设计规范(如铁路最大偏移限值)。 ### 工程应用场景 1. **道路与铁路设计** 用于直线段与圆曲线间的过渡,降低离心加速度突变,提升行车平稳性。 2. **立交桥匝道布设** 通过三次抛物线实现变半径曲线,适应复杂地形空间约束。 3. **施工测量放样** 按 $10$–$20$ m 间距计算坐标点,指导现场桩位定位。 ### 注意事项 - 适用条件:$L \geq \frac{R}{9}$(铁路规范)或 $L \geq \frac{V^3}{47R}$(公路设计速度 $V$ 约束); - 避免超短缓曲线导致曲率不连续。
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