x=s+tx=s+t, y=sty=st とする。実数 ss, tt が条件「 t≧s2t \geqq s^2 かつ t≦1t \leqq 1 」を満たしながら変化するとき, 点 P(x,y)\text{P}(x, y) の動く領域を DD とする。

  1. (1)

    領域 DD を xyxy 平面上に図示せよ。

  2. (2)

    領域 DD の面積 SS を求めよ。

完整解法

(1)

1. 将点 $(x, y)$ 的存在条件转化为实数 $s$ 的存在条件

点 P(x,y)\text{P}(x, y) が領域 DD に属するための条件は、
x=s+t,y=st,t≧s2,t≦1x = s + t, \quad y = st, \quad t \geqq s^2, \quad t \leqq 1
を満たす実数 s,ts, t が存在することである。
t=x−st = x - s を代入すると、条件は次と同値になる:
y=−s2+xsy = -s^2 + xs
を満たし、かつ
x−s≧s2  ⟺  s2+s−x≦0⋯(i)x - s \geqq s^2 \iff s^2 + s - x \leqq 0 \quad \cdots (\text{i})
x−s≦1  ⟺  s≧x−1⋯(ii)x - s \leqq 1 \iff s \geqq x - 1 \quad \cdots (\text{ii})
を満たす実数 ss が少なくとも1つ存在すること。

2. 求出使 $s$ 存在的 $x$ 的取值范围,以及 $s$ 的取值区间

不等式 (i) s2+s−x≦0s^2 + s - x \leqq 0 存在实数解的充要条件为判别式 Δ=1+4x≧0\Delta = 1 + 4x \geqq 0,即 x≧−14x \geqq -\dfrac{1}{4}。
此时,方程 s2+s−x=0s^2 + s - x = 0 的两根为
α=−1−1+4x2,β=−1+1+4x2\alpha = \frac{-1 - \sqrt{1+4x}}{2}, \quad \beta = \frac{-1 + \sqrt{1+4x}}{2}
故满足 (i) 的 ss 的范围为 α≦s≦β\alpha \leqq s \leqq \beta。
结合 (ii) s≧x−1s \geqq x - 1:
当 −14≦x≦0-\dfrac{1}{4} \leqq x \leqq 0 时,x−1≦αx - 1 \leqq \alpha 恒成立,故 ss 的取值范围为 [α,β][\alpha, \beta];
当 0≦x≦20 \leqq x \leqq 2 时,α≦x−1≦β\alpha \leqq x - 1 \leqq \beta 恒成立,故 ss 的取值范围为 [x−1,β][x - 1, \beta];
当 x>2x > 2 时,x−1>βx - 1 > \beta,无实数 ss 满足条件。
因此,xx 的取值范围为 −14≦x≦2-\dfrac{1}{4} \leqq x \leqq 2。

3. 分析二次函数 $y = -s^2 + xs$ 的值域,确定 $D$ 的边界并图示

考虑函数 g(s)=−s2+xsg(s) = -s^2 + xs,其对称轴为 s=x2s = \dfrac{x}{2},顶点坐标处值为 g ⁣(x2)=x24g\!\left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{x^2}{4}。
(1) 当 −14≦x≦0-\dfrac{1}{4} \leqq x \leqq 0 时,对称轴 x2≧β\dfrac{x}{2} \geqq \beta,函数 g(s)g(s) 在 [α,β][\alpha, \beta] 上单调递增:
ymin⁡=g(α)=α3y_{\min} = g(\alpha) = \alpha^3,ymax⁡=g(β)=β3y_{\max} = g(\beta) = \beta^3。
由 x=s2+sx = s^2 + s,点 (x,y)(x, y) 的上下边界分别对应参数曲线 x=s2+s, y=s3x = s^2 + s,\, y = s^3:
下边界对应 s∈[−1,−12]s \in \left[-1, -\frac{1}{2}\right],上边界对应 s∈[−12,0]s \in \left[-\frac{1}{2}, 0\right]。
(2) 当 0≦x≦20 \leqq x \leqq 2 时,对称轴 s=x2∈[x−1,β]s = \dfrac{x}{2} \in [x - 1, \beta],故 ymax⁡=x24y_{\max} = \dfrac{x^2}{4};
又 g(x−1)=x−1≦g(β)=β3g(x-1) = x - 1 \leqq g(\beta) = \beta^3,故最小值在端点 s=x−1s = x - 1 处取得:ymin⁡=x−1y_{\min} = x - 1。
即 x−1≦y≦x24x - 1 \leqq y \leqq \dfrac{x^2}{4}。
综上,領域 DD 的边界由以下曲线组成:

  • 曲线 C:x=s2+s, y=s3C: x = s^2 + s,\, y = s^3 (−1≦s≦0-1 \leqq s \leqq 0,在点 (−14,−18)\left(-\frac{1}{4}, -\frac{1}{8}\right) 处具有纵向切线);
  • 放物线 y=14x2y = \dfrac{1}{4}x^2 (0≦x≦20 \leqq x \leqq 2);
  • 直线 y=x−1y = x - 1 (0≦x≦20 \leqq x \leqq 2)。
    領域 DD 为上述三条边界所围成的闭区域(含边界)。
答案

領域 DD は、放物線 y=14x2y = \dfrac{1}{4}x^2 (0≦x≦20 \leqq x \leqq 2)、直線 y=x−1y = x - 1 (0≦x≦20 \leqq x \leqq 2)、および曲線 x=s2+s, y=s3x = s^2 + s,\, y = s^3 (−1≦s≦0-1 \leqq s \leqq 0) で囲まれた部分(境界線を含む)。

(2)

1. 将面积 $S$ 分割为 $-\frac{1}{4} \leqq x \leqq 0$ 与 $0 \leqq x \leqq 2$ 两部分

以 yy 轴 (x=0x = 0) 为界,将領域 DD 的面积 SS 拆为两部分 S=S1+S2S = S_1 + S_2:

  • S1S_1 为 −14≦x≦0-\dfrac{1}{4} \leqq x \leqq 0 部分,由曲线 x=s2+s, y=s3x = s^2 + s,\, y = s^3 与 yy 轴围成;
  • S2S_2 为 0≦x≦20 \leqq x \leqq 2 部分,由放物线 y=14x2y = \dfrac{1}{4}x^2 与直线 y=x−1y = x - 1 围成。

2. 利用参数曲线求出 $S_1$ 的面积

对于 S1S_1,上侧边界对应 s∈[−12,0]s \in \left[-\frac{1}{2}, 0\right],下侧边界对应 s∈[−1,−12]s \in \left[-1, -\frac{1}{2}\right]。
由参数方程 x=s2+sx = s^2 + s,得 dx=(2s+1) dsdx = (2s + 1)\,ds。
S1=∫−140(yupper−ylower) dx=∫−120s3(2s+1) ds−∫−12−1s3(2s+1) ds=∫−10s3(2s+1) dsS_1 = \int_{-\frac{1}{4}}^0 (y_{\text{upper}} - y_{\text{lower}})\,dx = \int_{-\frac{1}{2}}^0 s^3 (2s+1)\,ds - \int_{-\frac{1}{2}}^{-1} s^3 (2s+1)\,ds = \int_{-1}^0 s^3 (2s+1)\,ds
计算该积分:
S1=∫−10(2s4+s3) ds=[25s5+14s4]−10=0−(−25+14)=25−14=320S_1 = \int_{-1}^0 (2s^4 + s^3)\,ds = \left[ \frac{2}{5}s^5 + \frac{1}{4}s^4 \right]_{-1}^0 = 0 - \left( -\frac{2}{5} + \frac{1}{4} \right) = \frac{2}{5} - \frac{1}{4} = \frac{3}{20}

3. 计算 $S_2$ 并得出总面积 $S$

对于 S2S_2:
S2=∫02(14x2−(x−1))dx=14∫02(x−2)2 dx=14[(x−2)33]02=14(0−−83)=23S_2 = \int_0^2 \left( \frac{1}{4}x^2 - (x - 1) \right) dx = \frac{1}{4} \int_0^2 (x - 2)^2\,dx = \frac{1}{4} \left[ \frac{(x-2)^3}{3} \right]_0^2 = \frac{1}{4} \left( 0 - \frac{-8}{3} \right) = \frac{2}{3}
因此,領域 DD 的总面积为:
S=S1+S2=320+23=9+4060=4960S = S_1 + S_2 = \frac{3}{20} + \frac{2}{3} = \frac{9 + 40}{60} = \frac{49}{60}

答案

4960\dfrac{49}{60}

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