如图所示,点 在点 的正上方 处。初始时,一个气球位于点 ,并以 每秒的恒定速度沿水平直线运动,远离位于点 的观察者。在开始后的时刻 秒时,气球位于点 ,其中 为 ,且从点 的观察者看气球的仰角为 弧度。求当 为 瞬时, 的变化率的精确值。 一位园丁设计了一个花坛 ,其形状为内接于半径为 米的圆形土地的等腰三角形,如图所示。三角形的顶点位于圆周上,且 。角 为 ,其中 是锐角。 用 表示花坛 的面积。 随着 的变化,利用微分法求出花坛的最大可能面积的精确值,并证明其为最大值。
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完整解法
9(a)
1. Relate the angle of elevation $\beta$ to the horizontal distance $x$.
From the given diagram, the balloon forms a right-angled triangle with the ground. The constant vertical height is and the horizontal distance is .
2. Differentiate the equation with respect to time $t$.
Differentiating both sides implicitly with respect to :
3. Determine the exact value of $\sec^2 \beta$ at the specified instant.
When ,
Using the trigonometric identity :
(Note: A common student mistake is to find using a calculator, which introduces rounding errors and violates the 'find exactly' instruction.)
4. Substitute the known rates and values to solve for $\frac{d\beta}{dt}$.
The balloon moves horizontally away at a constant speed, so .
Substitute , , and into the differentiated equation:
9(b)
1. Formulate the expression for the area of the flower bed $ABC$ in terms of $\theta$.
Let be the midpoint of . By symmetry, the altitude from to passes through and the centre of the circle .
The angle subtended by arc at the centre is .
In the right-angled , .
The height of is .
The area of the flower bed, , is:
Using the double angle identity :
2. Differentiate the area function with respect to $\theta$ and set it to zero for finding stationary points.
To find the maximum area, set :
3. Solve the resulting trigonometric equation for acute $\theta$.
Using the double angle identity :
Since is an acute angle, .
Thus, , which gives .
4. Calculate the exact maximum possible area.
Substitute into the area expression:
The exact maximum area is .
5. Use the second derivative test to justify that this area is a maximum.
When :
Since , the area is a maximum.
Area , exact maximum area
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