题目
Problem
The ellipse E has equation
25x2+9y2=1
The line l is the normal to E at the point P(5cosθ,3sinθ) where 0<θ<2π
(a) Using calculus, show that an equation for l is
5xsinθ−3ycosθ=16sinθcosθ
Given that
• l intersects the y-axis at the point Q
• the midpoint of the line segment PQ is M
(b) determine the exact maximum area of triangle OMP as θ varies, where O is the origin.
You must justify your answer.
(9)
题目中文翻译
椭圆 E 的方程为
25x2+9y2=1
直线 l 是 E 在点 P(5cosθ,3sinθ) 处的法线,其中 0<θ<2π
(a) 用微积分证明,l 的方程为
5xsinθ−3ycosθ=16sinθcosθ
已知
• l 与 y 轴交于点 Q
• 线段 PQ 的中点为 M
(b) 当 θ 变化时,求三角形 OMP 面积的精确最大值,其中 O 为原点。
你必须给出证明。
解答
(a)
解法一
思路
展开
由点 P 的参数坐标分别求 dx/dθ 与 dy/dθ,从而得到切线斜率。法线斜率是切线斜率的负倒数;把 P 代入点斜式后整理,即可自然推出题设方程。
答题过程
展开
At the point P,
x=5cosθ,y=3sinθ.
Therefore,
dθdx=−5sinθ,dθdy=3cosθ.
The gradient of the tangent is
dxdy=dx/dθdy/dθ=−5sinθ3cosθ.
Hence the gradient of the normal is
ml=3cosθ5sinθ.
Using the point P(5cosθ,3sinθ), an equation of the normal is
y−3sinθ=3cosθ5sinθ(x−5cosθ).
Multiplying by 3cosθ and rearranging,
3ycosθ−9sinθcosθ=5xsinθ−3ycosθ=5xsinθ−25sinθcosθ,16sinθcosθ.
Thus an equation of l is
5xsinθ−3ycosθ=16sinθcosθ.
(b)
解法一:求中点坐标并使用行列式面积
思路
展开
先由 (a) 的法线方程求 Q 的坐标,再求中点 M。以 O 为原点时,三角形面积可以直接由向量 OM、OP 的二维行列式求得。最后把面积化为 310sin2θ,即可严格判断最大值。
答题过程
展开
At Q, x=0. Using the equation from part (a),
−3yQcosθ=16sinθcosθ.
Since 0<θ<π/2, cosθ=0, so
Q=(0,−316sinθ).
As M is the midpoint of PQ,
M==(25cosθ+0,23sinθ−316sinθ)(25cosθ,−67sinθ).
Hence
Area(△OMP)====21(25cosθ)(3sinθ)−(−67sinθ)(5cosθ)21(215+635)sinθcosθ320sinθcosθ310sin2θ.
For 0<θ<π/2, we have 0<2θ<π and
sin2θ⩽1, with equality when θ=π/4. Therefore,
maxArea(△OMP)=310.
解法二:利用中点产生的面积比例
思路
展开
因为 M 是 PQ 的中点,△OPM 与 △OPQ 对应于同一直线 PQ 上的底边分别为 PM、PQ,且从 O 到该直线的高相同,所以前者面积恰为后者的一半。这样无需显式求出 M 的坐标。
答题过程
展开
From part (a),
Q=(0,−316sinθ).
Since M is the midpoint of PQ, PM=21PQ. The triangles OPM
and OPQ have the same perpendicular height from O to the line PQ.
Therefore,
Area(△OPM)=21Area(△OPQ).
Using the coordinates of P and Q,
Area(△OPM)===21⋅215cosθ(−316sinθ)320sinθcosθ310sin2θ.
Because sin2θ⩽1, with equality at θ=π/4 in the
given interval,
maxArea(△OMP)=310.