如图所示为一个玻璃窗 ABCDEFABCDEF,由一个高为 3x cm3x\text{ cm}、宽为 y cmy\text{ cm} 的长方形 ABEFABEF 以及一个梯形 BCDEBCDE 组成,其中 CD=x cmCD = x\text{ cm},BC=2y cmBC = 2y\text{ cm}。ABCABC 是一条直线,且 DE=102 cmDE = 10\sqrt{2}\text{ cm}。 已知 xx 是可变的,

  1. (a)

    证明该玻璃窗的面积 S=7x(50−x2)S = 7x(\sqrt{50 - x^2}),

  2. (b)

    求使 SS 取得驻值的 xx 的值,并确定该 SS 值是极大值还是极小值。

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完整解法

13(a)

1. Express $y$ in terms of $x$ using the trapezium $BCDE$.

Draw a horizontal line from DD to BEBE, meeting BEBE at GG. Then DG=BC=2yDG = BC = 2y and EG=BE−BG=3x−x=2xEG = BE - BG = 3x - x = 2x.
In right-angled triangle EGDEGD:
EG2+DG2=DE2EG^2 + DG^2 = DE^2
(2x)2+(2y)2=(102)2(2x)^2 + (2y)^2 = (10\sqrt{2})^2
4x2+4y2=2004x^2 + 4y^2 = 200
x2+y2=50x^2 + y^2 = 50
y2=50−x2y^2 = 50 - x^2
y=50−x2y = \sqrt{50 - x^2} (since y>0y > 0)

2. Find the total area $S$ in terms of $x$ and $y$.

Area of rectangle ABEF=3x×y=3xyABEF = 3x \times y = 3xy
Area of trapezium BCDE=12(BE+CD)×BC=12(3x+x)(2y)=4xyBCDE = \frac{1}{2}(BE + CD) \times BC = \frac{1}{2}(3x + x)(2y) = 4xy
Total area S=3xy+4xy=7xyS = 3xy + 4xy = 7xy

3. Substitute $y$ to show the final expression for $S$.

Substitute y=50−x2y = \sqrt{50 - x^2} into S=7xyS = 7xy:
S=7x(50−x2)S = 7x(\sqrt{50 - x^2}) (Shown)

答案

Shown

13(b)

1. Differentiate $S$ with respect to $x$ using the product rule and chain rule.

S=7x(50−x2)12S = 7x(50 - x^2)^{\frac{1}{2}}
dSdx=7(50−x2)12+7x⋅12(50−x2)−12(−2x)\frac{dS}{dx} = 7(50 - x^2)^{\frac{1}{2}} + 7x \cdot \frac{1}{2}(50 - x^2)^{-\frac{1}{2}}(-2x)
dSdx=7(50−x2)12−7x2(50−x2)12\frac{dS}{dx} = 7(50 - x^2)^{\frac{1}{2}} - \frac{7x^2}{(50 - x^2)^{\frac{1}{2}}}

2. Set the derivative to zero to find the stationary value.

For a stationary value, dSdx=0\frac{dS}{dx} = 0.
7(50−x2)12−7x2(50−x2)12=07(50 - x^2)^{\frac{1}{2}} - \frac{7x^2}{(50 - x^2)^{\frac{1}{2}}} = 0
7(50−x2)12=7x2(50−x2)127(50 - x^2)^{\frac{1}{2}} = \frac{7x^2}{(50 - x^2)^{\frac{1}{2}}}
7(50−x2)=7x27(50 - x^2) = 7x^2
50−x2=x250 - x^2 = x^2
2x2=502x^2 = 50
x2=25x^2 = 25

3. Solve for $x$, rejecting the negative value since $x$ represents a length.

x=5x = 5 or x=−5x = -5
Since x>0x > 0 (length), x=5x = 5.

4. Determine the nature of the stationary value using the first derivative test.

Let's test values of xx around x=5x = 5:
When x=4.9x = 4.9, dSdx=7(50−4.92)12−7(4.9)2(50−4.92)12≈35.69−32.94>0\frac{dS}{dx} = 7(50 - 4.9^2)^{\frac{1}{2}} - \frac{7(4.9)^2}{(50 - 4.9^2)^{\frac{1}{2}}} \approx 35.69 - 32.94 > 0
When x=5.1x = 5.1, dSdx=7(50−5.12)12−7(5.1)2(50−5.12)12≈34.28−37.35<0\frac{dS}{dx} = 7(50 - 5.1^2)^{\frac{1}{2}} - \frac{7(5.1)^2}{(50 - 5.1^2)^{\frac{1}{2}}} \approx 34.28 - 37.35 < 0
Since the gradient changes from positive to negative, SS is a maximum when x=5x = 5.

答案

x=5x = 5, Maximum

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