曲线 CC 由参数方程
x=t1+t,y=t21+t,x = \frac{t}{1 + t}, \quad y = \frac{t^2}{1 + t},
定义,其中 tt 取除 −1-1 以外的所有实数值。
求 dydx\frac{\text{d}y}{\text{d}x},用 tt 表示你的答案。

  1. (i)

    证明在点 (p1+p,p21+p)\left(\frac{p}{1 + p}, \frac{p^2}{1 + p}\right) 处曲线 CC 的切线方程为
    y=p(p+2)x−p2.y = p(p + 2)x - p^2.

  2. (ii)

    求过点 (2,5)(2, 5) 的曲线 CC 的两条切线之间的锐角。

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完整解法

2(i)

1. Find $\frac{\text{d}y}{\text{d}x}$ in terms of $t$ (required from the previous unnumbered part).

dxdt=(1)(1+t)−t(1)(1+t)2=1(1+t)2\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = \frac{(1)(1 + t) - t(1)}{(1 + t)^2} = \frac{1}{(1 + t)^2}

dydt=2t(1+t)−t2(1)(1+t)2=t(t+2)(1+t)2\frac{\text{d}y}{\text{d}t} = \frac{2t(1 + t) - t^2(1)}{(1 + t)^2} = \frac{t(t + 2)}{(1 + t)^2}

dydx=dydtdxdt=t(t+2)\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = \frac{\frac{\text{d}y}{\text{d}t}}{\frac{\text{d}x}{\text{d}t}} = t(t + 2)

2. Determine the gradient of the tangent at $t = p$ and substitute into the equation of a line.

At the point (p1+p,p21+p)\left(\frac{p}{1 + p}, \frac{p^2}{1 + p}\right), the parameter is t=pt = p.

The gradient of the tangent is m=p(p+2)m = p(p + 2).

Using the point-gradient form y−y1=m(x−x1)y - y_1 = m(x - x_1):
y−p21+p=p(p+2)(x−p1+p)y - \frac{p^2}{1 + p} = p(p + 2)\left(x - \frac{p}{1 + p}\right)

3. Simplify the linear equation to arrive at the required result.

y=p(p+2)x−p2(p+2)1+p+p21+py = p(p + 2)x - \frac{p^2(p + 2)}{1 + p} + \frac{p^2}{1 + p}

y=p(p+2)x−p3+2p2−p21+py = p(p + 2)x - \frac{p^3 + 2p^2 - p^2}{1 + p}

y=p(p+2)x−p3+p21+py = p(p + 2)x - \frac{p^3 + p^2}{1 + p}

y=p(p+2)x−p2(p+1)1+py = p(p + 2)x - \frac{p^2(p + 1)}{1 + p}

Since p≠−1p \neq -1, we can cancel (1+p)(1 + p):
y=p(p+2)x−p2(Shown)y = p(p + 2)x - p^2 \quad \text{(Shown)}

答案

y=p(p+2)x−p2y = p(p + 2)x - p^2 (Shown)

2(ii)

1. Find the values of $p$ for the tangents that pass through $(2, 5)$.

Substitute (x,y)=(2,5)(x, y) = (2, 5) into the equation of the tangent y=p(p+2)x−p2y = p(p + 2)x - p^2:
5=p(p+2)(2)−p25 = p(p + 2)(2) - p^2
5=2p2+4p−p25 = 2p^2 + 4p - p^2
p2+4p−5=0p^2 + 4p - 5 = 0
(p+5)(p−1)=0(p + 5)(p - 1) = 0
p=1 or p=−5p = 1 \text{ or } p = -5

2. Determine the gradients of the two tangents.

From the tangent equation y=p(p+2)x−p2y = p(p + 2)x - p^2, the gradient mm is p(p+2)p(p + 2).

When p=1p = 1,
m1=1(1+2)=3m_1 = 1(1 + 2) = 3

When p=−5p = -5,
m2=−5(−5+2)=15m_2 = -5(-5 + 2) = 15

3. Calculate the acute angle between the two tangents.

Let θ1\theta_1 and θ2\theta_2 be the angles the tangents make with the positive xx-axis.
tan⁡θ1=3  ⟹  θ1=71.565∘\tan \theta_1 = 3 \implies \theta_1 = 71.565^\circ
tan⁡θ2=15  ⟹  θ2=86.186∘\tan \theta_2 = 15 \implies \theta_2 = 86.186^\circ

Acute angle=86.186∘−71.565∘=14.621∘≈14.6∘ (1 d.p.)\text{Acute angle} = 86.186^\circ - 71.565^\circ = 14.621^\circ \approx 14.6^\circ \text{ (1 d.p.)}

(Alternatively, using the formula tan⁡α=∣m1−m21+m1m2∣\tan \alpha = \left|\frac{m_1 - m_2}{1 + m_1 m_2}\right|, we get tan⁡α=1246=623  ⟹  α≈14.6∘\tan \alpha = \frac{12}{46} = \frac{6}{23} \implies \alpha \approx 14.6^\circ)

答案

14.6∘14.6^\circ (or 0.2550.255 rad)

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