题目
Problem
In this question you must show detailed reasoning.
Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.
Figure 3 shows
- the curve C1 with equation y=x3−5x2+3x+14
- the circle C2 with centre T
The point T is the minimum turning point of C1
Using Figure 3 and calculus,
(a) find the coordinates of T
(3)
The curve C1 intersects the circle C2 at the point A with x coordinate 2
(b) Find an equation of the circle C2
(3)
The line l shown in Figure 3, is the tangent to circle C2 at A
(c) Show that an equation of l is
y=31x+322
(3)
The region R, shown shaded in Figure 3, is bounded by C1, l and the y-axis.
(d) Find the exact area of R.
(3)
解答
(a)
解法一
思路
展开
点 T 是曲线 C1 的极小值点(minimum turning point)。因此它的 x 坐标必须满足导数 dxdy=0,且二阶导数 dxd2y>0。
- 对 C1 方程求导:
dxdy=3x2−10x+3
- 令其为零并因式分解求解:
3x2−10x+3=0⟹(3x−1)(x−3)=0⟹x=31 或 x=3
- 二阶导数为 dx2d2y=6x−10。
- 当 x=31 时,dx2d2y=−8<0(极大值点)。
- 当 x=3 时,dx2d2y=8>0(极小值点)。
因此极小值点 T 的 x 坐标为 3。
- 将 x=3 代入原曲线方程求出 y 坐标。
答题过程
展开
Differentiate the equation of C1:y=x3−5x2+3x+14:
dxdy=3x2−10x+3
At stationary points, dxdy=0:
3x2−10x+3=(3x−1)(x−3)=00
This yields x=31 or x=3.
To identify the minimum turning point, we find the second derivative:
dx2d2y=6x−10
- At x=31: dx2d2y=6(31)−10=−8<0 (Maximum)
- At x=3: dx2d2y=6(3)−10=8>0 (Minimum)
Therefore, the minimum turning point T occurs at x=3.
Find the y-coordinate of T by substituting x=3 into the equation of C1:
y===33−5(3)2+3(3)+1427−45+9+145
Thus, the coordinates of T are (3,5).
(b)
解法一
思路
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圆的方程通用形式为:
(x−x0)2+(y−y0)2=r2
其中圆心为 (x0,y0)=T(3,5)。
我们已知交点 A 的 x 坐标为 2。由于 A 在曲线 C1 上,我们可将 x=2 代入 C1 方程求出 yA。
求出 A 坐标后,利用两点间距离公式算出半径平方 r2=(xA−xT)2+(yA−yT)2,即可写出圆方程。
答题过程
展开
Find the y-coordinate of point A by substituting xA=2 into the equation of C1:
yA===23−5(2)2+3(2)+148−20+6+148
So, the coordinates of A are (2,8).
The circle C2 has center T(3,5). The radius squared r2 is the distance squared between T(3,5) and A(2,8):
r2====(2−3)2+(8−5)2(−1)2+321+910
Therefore, the equation of the circle C2 is:
(x−3)2+(y−5)2=10
(c)
解法一
思路
展开
直线 l 是圆在点 A(2,8) 处的切线。
根据圆的几何性质,切线与过切点的半径 TA 垂直。
- 先求出半径 TA 的斜率 mTA:
mTA=xA−xTyA−yT=2−38−5=−3
- 利用垂直直线斜率乘积为 −1 的关系,求出切线 l 的斜率 ml:
ml=−mTA1=31
- 使用点斜式写出过点 A(2,8) 的切线方程并化简。
答题过程
展开
The gradient of the radius TA joining the center T(3,5) and the point A(2,8) is:
mTA===2−38−5−13−3
Since the tangent line l is perpendicular to the radius TA at A, the gradient ml of the tangent line is:
ml===−mTA1−−3131
The equation of the line l passing through A(2,8) is:
y−8=y−8=y=y=31(x−2)31x−3231x−32+32431x+322(proven)
(d)
解法一:直接积分两函数之差
思路
展开
由图 3 可知,阴影区域 R 在 x∈[0,2] 区间内,由上方曲线 C1、下方直线 l 以及 y 轴(x=0)围成。
直接对上方曲线减去下方直线在区间 [0,2] 上积分:
Area(R)=∫02(yC1−yl)dx
=∫02[(x3−5x2+3x+14)−(31x+322)]dx
化简被积函数,然后利用微积分基本定理进行积分求解。
答题过程
展开
The upper boundary of R is C1:y=x3−5x2+3x+14 and the lower boundary is the line l:y=31x+322. The region extends from x=0 to x=2.
Area(R)========∫02(yC1−yl)dx∫02((x3−5x2+3x+14)−(31x+322))dx∫02(x3−5x2+38x+320)dx[4x4−35x3+34x2+320x]02(424−35(23)+34(22)+320(2))−0(4−340+316+340)4+316328
解法二:几何扣除法(曲线下面积减去梯形面积)
思路
展开
阴影部分面积可以通过两块简单面积作差求得:
- 积分求出曲线 C1 从 x=0 到 x=2 下方的面积:
∫02(x3−5x2+3x+14)dx
- 直线 l 下方与 x 轴围成的部分在 x∈[0,2] 之间是一个直角梯形,其左右两边平行高度分别为 y(0)=322 和 y(2)=8,宽度为 2。
梯形面积公式为:
Atrapezium=21(a+b)h=21(322+8)×2=346
- 将两者作差即可得到阴影部分的面积。
答题过程
展开
-
Area under C1:
∫02(x3−5x2+3x+14)dx=====[4x4−35x3+23x2+14x]02(416−340+23(4)+14(2))−04−340+6+2838−3403114−40=374
-
Area of the trapezium under l:
The vertical heights of the trapezium at x=0 and x=2 are:
y(0)=322,y(2)=8
The width is 2:
Areatrapezium==21(322+8)×2322+324=346
-
Area of R:
Area(R)===Area under C1−Areatrapezium374−346328