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CalcGospel 國際數學圖譜
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P4 2023 Jan Q5

A Level / Edexcel / P4

IAL 2023 Jan Paper · Question 5

题目

Problem

Figure 2 shows a sketch of the curve with equation

y2= 2x2+15x +10y\begin{align*} y^2=&\,2x^2+15x\\ &\,\hspace{2pt}+10y \end{align*}

(a) Find

dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}

in terms of xx and yy.

(4)

The curve is not defined for values of xx in the interval (p,q)(p,q), as shown in Figure 2.

(b) Using your answer to part (a) or otherwise, find the value of pp and the value of qq.

(Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.)

(3)
题目中文翻译

图 2 给出了曲线的示意图,其方程为

y2= 2x2+15x +10y\begin{align*} y^2=&\,2x^2+15x\\ &\,\hspace{2pt}+10y \end{align*}

(a) 用 x,yx,y 表示以下导数:

dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}
(4)

如图 2 所示,当 xx 取区间 (p,q)(p,q) 内的值时,曲线无定义。

(b) 利用 (a) 的结果或用其他方法,求 pp 和 qq 的值。

(完全依赖计算器技术的解法不被接受。)

(3)

解答

(a)

解法一

思路

展开

对曲线方程隐式求导。用 gg 暂记 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x},避免在同一行重复写长导数符号;所有含 yy 的项都要乘上 gg,再移项提取公因式。

答题过程

展开

Let

g=dydx.g=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}.

Differentiating the curve equation implicitly with respect to xx gives

2yg= 4x+15 +10g.\begin{align*} 2yg=&\,4x+15\\ &\,\hspace{2pt}+10g. \end{align*}

Rearranging,

(2y−10)g=4x+15.(2y-10)g=4x+15.

Therefore,

dydx=4x+152y−10.\boxed{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} =\frac{4x+15}{2y-10}}.

(b)

解法一

思路

展开

由图形可知,无定义区间的端点是两支曲线的竖直切线位置。在这些位置,上一问导数的分母为零。先求出 yy,再代回原曲线方程求两个 xx 值,并按 p<qp<q 对应端点。

答题过程

展开

At the endpoints of the interval the curve has vertical tangents. Using part (a), the denominator of the derivative is zero:

2y−10=0,2y-10=0,

so y=5y=5.

Substituting into the curve equation gives

25=2x2+15x+50.25=2x^2+15x+50.

Hence

2x2+15x+25= 0,(2x+5)(x+5)= 0.\begin{align*} 2x^2+15x+25=&\,0,\\ (2x+5)(x+5)=&\,0. \end{align*}

Thus x=−5x=-5 or x=−52x=-\frac52. Since p<qp<q,

p=−5,q=−52.\boxed{p=-5,\quad q=-\frac52}.

也可以用曲线关于 y=5y=5 的对称性先确定端点的纵坐标,因为

 (y−5)2= 2x2+15x+25.\begin{align*} &\,(y-5)^2\\ =&\,2x^2+15x+25. \end{align*}

左边关于 y=5y=5 对称,图中的两个最靠内侧点位于这条对称轴上。 令 x=0x=0 时,y(y−10)=0y(y-10)=0 得到 yy 轴截距 0,100,10,其中点也对应 y=5y=5。 再把 y=5y=5 代入,沿上面的二次方程求解即可。

解法二

思路

展开

把曲线方程整理成关于 yy 的二次方程。对于给定的 xx,存在实数 yy 的条件是判别式不小于零;因此判别式为负的范围就是曲线无定义的区间。

答题过程

展开

Rearrange the curve equation as a quadratic in yy:

 y2−10y −(2x2+15x)= 0.\begin{align*} &\,y^2-10y\\ &\,\hspace{2pt}-(2x^2+15x)\\ =&\,0. \end{align*}

Let c=−(2x2+15x)c=-(2x^2+15x). Its discriminant is

Δ= (−10)2−4c= 100+4(2x2+15x)= 4(2x2+15x+25)= 4(2x+5)(x+5).\begin{align*} \Delta=&\,(-10)^2-4c\\ =&\,100+4(2x^2+15x)\\ =&\,4(2x^2+15x+25)\\ =&\,4(2x+5)(x+5). \end{align*}

The curve is not defined when Δ<0\Delta<0, so

(2x+5)(x+5)<0.(2x+5)(x+5)<0.

The critical values are −5-5 and −52-\frac52. The product is negative between these values, so the interval is

−5<x<−52.-5<x<-\frac52.

Therefore,

p=−5,q=−52.\boxed{p=-5,\quad q=-\frac52}.

解法三

思路

展开

可以从两个 xx 轴截距出发,利用双曲线的对称性求端点。先通过配方找到中心,再比较顶点和截距到中心的水平距离,不能仅凭“对称”猜出三分之一、三分之二。

答题过程

展开

First set y=0y=0. Then

2x2+15x= 0,x(2x+15)= 0.\begin{align*} 2x^2+15x=&\,0,\\ x(2x+15)=&\,0. \end{align*}

The xx-axis intercepts are therefore x=0x=0 and x=−152x=-\frac{15}{2}.

To locate the centre and vertices, let

X=x+154,X=x+\frac{15}{4}, Y=y−5.Y=y-5.

Completing the squares gives

2x2+15x=2X2−22582x^2+15x=2X^2-\frac{225}{8}

and

y2−10y=Y2−25.y^2-10y=Y^2-25.

Hence the curve equation becomes

2X2−Y2=258.2X^2-Y^2=\frac{25}{8}.

The centre is at (−154,5)(-\frac{15}{4},5). Since

2X2=Y2+258,2X^2=Y^2+\frac{25}{8},

the smallest possible ∣X∣|X| occurs when Y=0Y=0. The two vertices satisfy

X2=2516,X^2=\frac{25}{16},

so X=±54X=\pm\frac54. Their xx coordinates are

p=−15−54=−5p=\frac{-15-5}{4}=-5

and

q= −15+54= −52.\begin{align*} q=&\,\frac{-15+5}{4}\\[4mm] =&\,-\frac52. \end{align*}

There are no real points between these vertices because there 2X2−258<02X^2-\frac{25}{8}<0, which cannot equal Y2Y^2. Thus

p=−5,q=−52.\boxed{p=-5,\quad q=-\frac52}.

两个 xx 轴截距到中心的水平距离都是 154\frac{15}{4}, 而两个顶点到中心的水平距离都是 54\frac54,后者是前者的三分之一。 因此以 xx 坐标衡量,从 x=0x=0 向 x=−152x=-\frac{15}{2} 沿截距间的线段, 两个顶点在 xx 轴上的投影 qq、pp 分别位于全长的三分之一、三分之二处。 这说明了上述对称性方法中距离比例的由来。