💡 答案解析
**答案**: $y=-\displaystyle\frac{2}{\pi} x+\displaystyle\frac{\pi}{2}$ .
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**解析**:
$L$ 的参数方程为 $\left\{\begin{array}{l}x=\theta \cos \theta, \\ y=\theta \sin \theta,\end{array}\right.$ 当 $\theta=\displaystyle\frac{\pi}{2}$ 时,$L$ 上对应的点为 $M_{0}\left(0, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right)$ ,由 $\displaystyle\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{~d} x}=\displaystyle\frac{\mathrm{d} y / \mathrm{d} \theta}{\mathrm{d} x / \mathrm{d} \theta}=\displaystyle\frac{\sin \theta+\theta \cos \theta}{\cos \theta-\theta \sin \theta}$ ,得 $\left.\displaystyle\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{~d} x}\right|_{\theta=\displaystyle\frac{\pi}{2}}=-\displaystyle\frac{2}{\pi}$ ,
切线方程为 $y-\displaystyle\frac{\pi}{2}=-\displaystyle\frac{2}{\pi}(x-0)$ ,即 $y=-\displaystyle\frac{2}{\pi} x+\displaystyle\frac{\pi}{2}$ .
📋 详细解题步骤
目标:写出曲线的参数方程
已知曲线的极坐标方程为 $r = \theta$($\theta \geq 0$)。为了将其转化为直角坐标系下的参数方程,我们利用极坐标与直角坐标的转换关系:
$$x = r \cos \theta, \quad y = r \sin \theta.$$
将 $r = \theta$ 代入上述关系式,得到
$$x = \theta \cos \theta, \quad y = \theta \sin \theta.$$
这里 $\theta$ 作为参数,取值范围由原极坐标方程确定,通常 $\theta \geq 0$。因此,曲线的参数方程为
$$\begin{cases} x = \theta \cos \theta, \\ y = \theta \sin \theta, \end{cases} \quad \theta \geq 0.$$
该参数方程描述了从极点出发、随着角度 $\theta$ 增大而半径线性增大的螺旋线(即阿基米德螺线)。
公式:$$\begin{cases} x = \theta \cos \theta, \\ y = \theta \sin \theta \end{cases} \quad (\theta \geq 0)$$
提示:牢记极坐标与直角坐标转换公式 $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$,代入即可。
目标:确定切点坐标
已知曲线的参数方程为 $x = \theta(1 - \cos\theta)$,$y = \theta(1 - \sin\theta)$。题目要求曲线在 $\theta = \frac{\pi}{2}$ 处的切线方程,因此首先需要确定切点的坐标。将 $\theta = \frac{\pi}{2}$ 代入参数方程:
对于 $x$ 坐标:
$$x = \frac{\pi}{2}\left(1 - \cos\frac{\pi}{2}\right) = \frac{\pi}{2}(1 - 0) = \frac{\pi}{2}.$$
对于 $y$ 坐标:
$$y = \frac{\pi}{2}\left(1 - \sin\frac{\pi}{2}\right) = \frac{\pi}{2}(1 - 1) = 0.$$
因此切点坐标为 $\left(\frac{\pi}{2}, 0\right)$。注意:题目步骤概要中给出的切点为 $(0, \pi/2)$,这是错误的,正确结果应为 $\left(\frac{\pi}{2}, 0\right)$。在后续步骤中,我们将以此切点为基础,计算切线斜率并写出切线方程。
公式:$$x = \theta(1 - \cos\theta), \quad y = \theta(1 - \sin\theta)$$
提示:代入参数值时要仔细区分 $x$ 和 $y$ 的表达式,并准确记忆特殊角的三角函数值。
目标:求切线斜率
已知曲线的参数方程为 $x = \theta \cos \theta$,$y = \theta \sin \theta$,其中 $\theta$ 为参数。我们需要求在 $\theta = \frac{\pi}{2}$ 处的切线斜率。
根据参数方程求导法则,切线斜率 $k = \frac{dy}{dx} = \frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}$。
首先计算 $\frac{dy}{d\theta}$:
$$\frac{dy}{d\theta} = \frac{d}{d\theta}(\theta \sin \theta) = \sin \theta + \theta \cos \theta.$$
再计算 $\frac{dx}{d\theta}$:
$$\frac{dx}{d\theta} = \frac{d}{d\theta}(\theta \cos \theta) = \cos \theta - \theta \sin \theta.$$
因此,
$$\frac{dy}{dx} = \frac{\sin \theta + \theta \cos \theta}{\cos \theta - \theta \sin \theta}.$$
将 $\theta = \frac{\pi}{2}$ 代入上式:
$$\sin\frac{\pi}{2} = 1,\quad \cos\frac{\pi}{2} = 0,$$
$$\frac{dy}{dx}\bigg|_{\theta = \frac{\pi}{2}} = \frac{1 + \frac{\pi}{2} \cdot 0}{0 - \frac{\pi}{2} \cdot 1} = \frac{1}{-\frac{\pi}{2}} = -\frac{2}{\pi}.$$
所以,所求切线斜率为 $k = -\frac{2}{\pi}$。
公式:$$k = \frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{d\theta}}{\frac{dx}{d\theta}} = \frac{\sin \theta + \theta \cos \theta}{\cos \theta - \theta \sin \theta}$$
提示:牢记参数方程求导公式 $\frac{dy}{dx} = \frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}$,并正确使用乘积法则。
目标:写出切线方程并化简
由前一步骤已知切点坐标为 $(0, \frac{\pi}{2})$,切线斜率为 $k = -\frac{2}{\pi}$。根据直线的点斜式方程,过点 $(x_0, y_0)$ 且斜率为 $k$ 的直线方程为 $y - y_0 = k(x - x_0)$。代入 $x_0 = 0$,$y_0 = \frac{\pi}{2}$,$k = -\frac{2}{\pi}$,得:
$$
y - \frac{\pi}{2} = -\frac{2}{\pi} (x - 0)
$$
化简上式:将 $x - 0$ 简化为 $x$,得
$$
y - \frac{\pi}{2} = -\frac{2}{\pi} x
$$
移项,将 $\frac{\pi}{2}$ 移到等号右边:
$$
y = -\frac{2}{\pi} x + \frac{\pi}{2}
$$
此即为所求切线方程。
**验证**:将 $x = 0$ 代入,得 $y = \frac{\pi}{2}$,与切点纵坐标一致;斜率 $k = -\frac{2}{\pi}$ 符合前一步计算结果。因此切线方程正确。
公式:y = -\frac{2}{\pi} x + \frac{\pi}{2}
提示:代入点斜式后,注意移项要变号,最终结果可代入切点验证。