题目
Problem
The ellipse E has equation
64x2+36y2=1.
The line l is the normal to E at the point P(8cosθ,6sinθ).
(a) Using calculus, show that an equation for l is
4xsinθ−3ycosθ=14sinθcosθ.
The line l meets the x-axis at the point A and meets the y-axis at the point B.
The point M is the midpoint of AB.
(b) Determine a Cartesian equation for the locus of M as θ varies, giving your answer in the form ax2+by2=c where a, b and c are integers.
(9)
题目中文翻译
椭圆 E 的方程为
64x2+36y2=1
直线 l 是椭圆 E 在点 P(8cosθ,6sinθ) 处的法线。
(a) 利用微积分证明 l 的方程为
4xsinθ−3ycosθ=14sinθcosθ
直线 l 与 x 轴交于点 A,与 y 轴交于点 B。
点 M 是 AB 的中点。
(b) 求当 θ 变化时,M 的轨迹的笛卡尔方程,并写成 ax2+by2=c 的形式,其中 a、b、c 为整数。
解答
(a)
解法一:使用参数方程求导
思路
展开
由点 P 的参数坐标求 dθdx 和 dθdy,先得到切线斜率,再取负倒数得到法线斜率。把点 P 代入点斜式并整理即可推出目标方程。
答题过程
展开
From
x=8cosθ,y=6sinθ,
we have
dθdx=−8sinθ,dθdy=6cosθ.
Thus the gradient of the tangent is
mT=dxdy=−4sinθ3cosθ.
Hence the gradient of the normal is
mN=−mT1=3cosθ4sinθ.
The normal through P therefore satisfies
y−6sinθ=3cosθ4sinθ×(x−8cosθ).
Multiplying by 3cosθ and rearranging,
3ycosθ−18sinθcosθ=4xsinθ−3ycosθ=4xsinθ−32sinθcosθ,14sinθcosθ.
Therefore,
4xsinθ−3ycosθ=14sinθcosθ.
The limiting horizontal and vertical normals are also represented by this equation.
解法二:隐式求导
思路
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直接对椭圆方程隐式求导,得到切线斜率的 x,y 表达式。代入 P 的参数坐标后求法线斜率,再按点斜式整理成指定方程。
答题过程
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Differentiating
64x2+36y2=1
implicitly gives
32x+18ydxdy=0.
Therefore,
dxdy=−16y9x.
At P=(8cosθ,6sinθ),
mT=−4sinθ3cosθ,mN=3cosθ4sinθ.
Hence
y−6sinθ=4xsinθ−3ycosθ=3cosθ4sinθ×(x−8cosθ),14sinθcosθ.
Thus
4xsinθ−3ycosθ=14sinθcosθ.
(b)
解法一
思路
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分别令法线方程中的 y=0、x=0,求出两个截距点 A,B。由中点公式得到 M 的参数坐标,再以 sin2θ+cos2θ=1 消去参数。
答题过程
展开
Setting y=0 in the equation of l gives
A=(27cosθ,0).
Setting x=0 gives
B=(0,−314sinθ).
Therefore, the midpoint of AB is
M=(47cosθ,−37sinθ).
Let the coordinates of M be (x,y). Then
cosθ=74x,sinθ=−73y.
Using sin2θ+cos2θ=1,
(74x)2+(73y)2=16x2+9y2=1,49.
Hence the Cartesian equation of the locus is
16x2+9y2=49.