图中显示了曲线 y=2sin⁡x2y = 2\sin\frac{x}{2} 的一部分,其中点 AA 在该曲线上。 点 AA 的 xx 坐标为 4π3\frac{4\pi}{3},曲线在点 AA 处的法线与 xx 轴交于 BB 点,与 yy 轴交于 CC 点。

  1. (a)

    求 BB 和 CC 的坐标,答案保留精确值。

  2. (b)

    求阴影区域的面积。

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完整解法

10(b)

1. Find the coordinates of $A$ and the equation of the normal $AC$ (from part a).

At AA, x=4π3x = \frac{4\pi}{3}.
y=2sin⁡(4π6)=2sin⁡(2π3)=3y = 2\sin\left(\frac{4\pi}{6}\right) = 2\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right) = \sqrt{3}.
So A=(4π3,3)A = \left(\frac{4\pi}{3}, \sqrt{3}\right).
dydx=cos⁡x2\frac{dy}{dx} = \cos\frac{x}{2}. At x=4π3x = \frac{4\pi}{3}, dydx=cos⁡2π3=−12\frac{dy}{dx} = \cos\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2}.
Gradient of normal =2= 2.
Equation of normal ACAC: y−3=2(x−4π3)  ⟹  y=2x−8π3+3y - \sqrt{3} = 2\left(x - \frac{4\pi}{3}\right) \implies y = 2x - \frac{8\pi}{3} + \sqrt{3}.
At CC, x=0x = 0, so y=3−8π3y = \sqrt{3} - \frac{8\pi}{3}.

2. Set up the expression for the area of the shaded region.

The shaded region is bounded above by the curve and below by the line ACAC from x=0x = 0 to x=4π3x = \frac{4\pi}{3}.
Area=∫04π32sin⁡x2 dx−Area under line AC\text{Area} = \int_0^{\frac{4\pi}{3}} 2\sin\frac{x}{2} \, dx - \text{Area under line } AC

3. Calculate the area under the curve.

∫04π32sin⁡x2 dx=[−4cos⁡x2]04π3\int_0^{\frac{4\pi}{3}} 2\sin\frac{x}{2} \, dx = \left[ -4\cos\frac{x}{2} \right]_0^{\frac{4\pi}{3}}
=−4cos⁡2π3−(−4cos⁡0)= -4\cos\frac{2\pi}{3} - (-4\cos 0)
=−4(−12)+4=2+4=6= -4\left(-\frac{1}{2}\right) + 4 = 2 + 4 = 6

4. Calculate the area under the line $AC$ and find the total shaded area.

The integral of the line ACAC from x=0x=0 to x=4π3x=\frac{4\pi}{3} can be found using the area of a trapezium (signed area):
∫04π3(2x−8π3+3) dx=12×4π3×(yC+yA)\int_0^{\frac{4\pi}{3}} \left(2x - \frac{8\pi}{3} + \sqrt{3}\right) \, dx = \frac{1}{2} \times \frac{4\pi}{3} \times \left( y_C + y_A \right)
=2π3(3−8π3+3)=2π3(23−8π3)=4π33−16π29= \frac{2\pi}{3} \left( \sqrt{3} - \frac{8\pi}{3} + \sqrt{3} \right) = \frac{2\pi}{3} \left( 2\sqrt{3} - \frac{8\pi}{3} \right) = \frac{4\pi\sqrt{3}}{3} - \frac{16\pi^2}{9}

Shaded Area=6−(4π33−16π29)=6+16π29−4π33\text{Shaded Area} = 6 - \left( \frac{4\pi\sqrt{3}}{3} - \frac{16\pi^2}{9} \right) = 6 + \frac{16\pi^2}{9} - \frac{4\pi\sqrt{3}}{3}

答案

6+16π29−4π336 + \frac{16\pi^2}{9} - \frac{4\pi\sqrt{3}}{3}

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