竞技跳台跳水比赛包括一名或两名运动员在不同高度处向水池中进行旋转、转体和翻腾动作。 图中显示了跳台设计的一个横截面,它由一个梯形塔 ABCDABCD 组成。ABAB 是运动员通往跳台的楼梯。 已知 ∠BAD=θ\angle BAD = \theta(其中 θ\theta 是可变的),且 ∠ADC=90∘\angle ADC = 90^\circ,ABAB 和 BCBC 的长度分别为 12 m12\text{ m} 和 4 m4\text{ m}。

  1. (a)

    证明 ABCDABCD 的周长 LL 可以表示为 p+qsin⁡θ+rcos⁡θp + q\sin\theta + r\cos\theta 的形式。

  2. (b)

    将 LL 表示为 p+Rcos⁡(θ−α)p + R\cos(\theta - \alpha) 的形式,其中 R>0R > 0 且 0∘<α<90∘0^\circ < \alpha < 90^\circ。

  3. (c)

    写出 LL 的最大值以及对应的 θ\theta 值。

  4. (d)

    若 L=25 mL = 25\text{ m},求 θ\theta 的值。并解释为什么具有该 LL 值的跳台是一个不好的设计。

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完整解法

6(a)

1. Find the lengths of CD and AD in terms of theta

Draw a horizontal line from BB to meet CDCD at EE. Then ABAB is the hypotenuse of right-angled triangle ABEABE (or draw a vertical line from BB to ADAD at FF).
Let FF be the foot of the perpendicular from BB to ADAD.
In △ABF\triangle ABF, ∠AFB=90∘\angle AFB = 90^\circ and ∠BAF=θ\angle BAF = \theta.
BF=12sin⁡θBF = 12\sin\theta and AF=12cos⁡θAF = 12\cos\theta.
Since BCDFBCDF is a rectangle, CD=BF=12sin⁡θCD = BF = 12\sin\theta and FD=BC=4FD = BC = 4.
Thus, AD=AF+FD=12cos⁡θ+4AD = AF + FD = 12\cos\theta + 4.

2. Express the perimeter L in terms of theta

L=AB+BC+CD+ADL = AB + BC + CD + AD
L=12+4+12sin⁡θ+(12cos⁡θ+4)L = 12 + 4 + 12\sin\theta + (12\cos\theta + 4)
L=20+12sin⁡θ+12cos⁡θL = 20 + 12\sin\theta + 12\cos\theta

答案

L=20+12sin⁡θ+12cos⁡θL = 20 + 12\sin\theta + 12\cos\theta

6(b)

1. Determine the expression for $L$ from the context of part (a)

From the diagram, drawing a perpendicular from BB to ADAD gives a right-angled triangle with hypotenuse AB=12AB = 12.
The vertical height is 12sin⁡θ12\sin\theta, so CD=12sin⁡θCD = 12\sin\theta.
The horizontal distance is 12cos⁡θ12\cos\theta, so AD=12cos⁡θ+4AD = 12\cos\theta + 4.
The perimeter L=AB+BC+CD+AD=12+4+12sin⁡θ+(12cos⁡θ+4)=20+12sin⁡θ+12cos⁡θL = AB + BC + CD + AD = 12 + 4 + 12\sin\theta + (12\cos\theta + 4) = 20 + 12\sin\theta + 12\cos\theta.

2. Apply the R-formula to $12\cos\theta + 12\sin\theta$

Let 12cos⁡θ+12sin⁡θ=Rcos⁡(θ−α)=Rcos⁡θcos⁡α+Rsin⁡θsin⁡α12\cos\theta + 12\sin\theta = R\cos(\theta - \alpha) = R\cos\theta\cos\alpha + R\sin\theta\sin\alpha.
Comparing coefficients:
Rcos⁡α=12R\cos\alpha = 12
Rsin⁡α=12R\sin\alpha = 12
R=122+122=288=122R = \sqrt{12^2 + 12^2} = \sqrt{288} = 12\sqrt{2}
tan⁡α=1212=1  ⟹  α=45∘\tan\alpha = \frac{12}{12} = 1 \implies \alpha = 45^\circ

3. State the final expression for $L$

L=20+122cos⁡(θ−45∘)L = 20 + 12\sqrt{2}\cos(\theta - 45^\circ)

答案

20+122cos⁡(θ−45∘)20 + 12\sqrt{2}\cos(\theta - 45^\circ)

6(c)

1. State the expression for $L$ from part (b)

From parts (a) and (b), L=20+12sin⁡θ+12cos⁡θ=20+122cos⁡(θ−45∘)L = 20 + 12\sin\theta + 12\cos\theta = 20 + 12\sqrt{2}\cos(\theta - 45^\circ).

2. Find the maximum value of $L$

The maximum value of cos⁡(θ−45∘)\cos(\theta - 45^\circ) is 11.
Maximum L=20+122(1)=20+122≈37.0 mL = 20 + 12\sqrt{2}(1) = 20 + 12\sqrt{2} \approx 37.0\text{ m}

3. Find the corresponding value of $\theta$

cos⁡(θ−45∘)=1\cos(\theta - 45^\circ) = 1
θ−45∘=0∘\theta - 45^\circ = 0^\circ
θ=45∘\theta = 45^\circ

答案

Maximum L=20+122 mL = 20 + 12\sqrt{2}\text{ m} (or 37.0 m37.0\text{ m}), θ=45∘\theta = 45^\circ

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