题目
Problem
The ellipse E has equation
16x2+9y2=1
The point P(4cosθ,3sinθ) lies on E where 0<θ<2π
(a) Use calculus to show that an equation for the normal to E at P is given by
4xsinθ−3ycosθ=7sinθcosθ
The normal to E at P meets the x-axis at the point A.
(b) Show that the area of triangle OAP, where O is the origin, is ksin2θ, where k is a
rational number to be determined.
(c) Hence state the value of the maximum area for triangle OAP.
(4)
(4)
(1)
题目中文翻译
椭圆 E 的方程为
16x2+9y2=1
点 P(4cosθ,3sinθ) 在 E 上,其中 0<θ<2π。
(a) 用微积分证明,P 点处的法线方程为
4xsinθ−3ycosθ=7sinθcosθ
椭圆 E 在 P 点处的法线与 x 轴交于点 A。
(b) 证明三角形 OAP 的面积为 ksin2θ,其中 k 为待确定的有理数。
(c) 由此给出三角形 OAP 的最大面积。
解答
(a)
解法一
思路
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先对椭圆方程隐式求导,代入 P 的坐标得到切线斜率,再取负倒数求法线斜率。将点斜式整理后应自然得到题目指定的方程。
答题过程
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Differentiating the equation of the ellipse implicitly,
8x+92ydxdy=0.
Therefore,
dxdy=−16y9x.
At P(4cosθ,3sinθ), the gradient of the tangent is
mT==−16(3sinθ)9(4cosθ)−4sinθ3cosθ.
Hence the gradient of the normal is
mN=−mT1=3cosθ4sinθ.
The equation of the normal at P is therefore
y−3sinθ=3cosθ4sinθ(x−4cosθ).
Multiplying by 3cosθ and rearranging,
3ycosθ−9sinθcosθ=4xsinθ−3ycosθ=4xsinθ−16sinθcosθ,7sinθcosθ,
as required.
解法二
思路
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官方评分资料也允许直接利用点 P 的参数表示。分别求 x,y 关于 θ 的导数,再用 dy/dx=(dy/dθ)/(dx/dθ),能更快得到同一个切线斜率;后续法线方程与解法一相同。
答题过程
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From
x=4cosθ
and
y=3sinθ,
we obtain
dθdx=−4sinθ
and
dθdy=3cosθ.
Thus
dxdy==dx/dθdy/dθ−4sinθ3cosθ.
Hence the normal has gradient
3cosθ4sinθ.
Using the point P,
y−3sinθ=3cosθ4sinθ(x−4cosθ).
Therefore,
4xsinθ−3ycosθ=7sinθcosθ.
(b)
解法一
思路
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点 A 在 x 轴上,所以在 (a) 的法线方程中令 y=0,求出其横坐标。再以 OA 为底、P 的纵坐标为高求三角形面积,并用 sin2θ=2sinθcosθ 化为指定形式。
答题过程
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At A, y=0. Therefore, using the normal equation from part (a),
4xAsinθ=7sinθcosθ.
Since 0<θ<2π, sinθ>0, so
xA=47cosθ.
Also, the perpendicular height of P above the x-axis is 3sinθ. Hence
Area(OAP)===21(47cosθ)(3sinθ)821sinθcosθ1621sin2θ.
Thus
k=1621.
(c)
解法一
思路
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承接 (b),因为 0<2θ<π,所以 sin2θ 的最大值是 1,在 θ=π/4 时取得。
答题过程
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From part (b),
Area(OAP)=1621sin2θ.
The maximum value of sin2θ is 1, attained when θ=4π. Therefore, the maximum area is
1621.