图中的图象显示了曲线 y=2x+5y = \sqrt{2x+5} 的一部分。A 是曲线上的一个点,且 A 的 x 坐标为 2。曲线在点 A 处的法线与 x 轴交于点 B。

  1. (a)

    求曲线在点 A 处的法线方程。

  2. (b)

    求由法线 ABAB、曲线、x 轴和 y 轴所围成的阴影区域的面积。

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完整解法

13(a)

1. Find the $y$-coordinate of point A

When x=2x = 2,
y=2(2)+5=9=3y = \sqrt{2(2) + 5} = \sqrt{9} = 3
So, point A is (2,3)(2, 3).

2. Differentiate the equation of the curve to find the gradient function

y=(2x+5)12y = (2x + 5)^{\frac{1}{2}}
dydx=12(2x+5)−12⋅2\frac{dy}{dx} = \frac{1}{2}(2x + 5)^{-\frac{1}{2}} \cdot 2
dydx=12x+5\frac{dy}{dx} = \frac{1}{\sqrt{2x + 5}}

3. Find the gradient of the tangent at A

At x=2x = 2,
dydx=12(2)+5=13\frac{dy}{dx} = \frac{1}{\sqrt{2(2) + 5}} = \frac{1}{3}

4. Find the gradient of the normal and its equation

Gradient of normal =−113=−3= -\frac{1}{\frac{1}{3}} = -3
Equation of the normal at (2,3)(2, 3):
y−3=−3(x−2)y - 3 = -3(x - 2)
y−3=−3x+6y - 3 = -3x + 6
y=−3x+9y = -3x + 9

答案

y=−3x+9y = -3x + 9

13(b)

1. Find the equation of the normal at A and the coordinates of B (from part a).

dydx=12(2x+5)−12(2)=12x+5\frac{dy}{dx} = \frac{1}{2}(2x+5)^{-\frac{1}{2}}(2) = \frac{1}{\sqrt{2x+5}}
At x=2x = 2, dydx=19=13\frac{dy}{dx} = \frac{1}{\sqrt{9}} = \frac{1}{3}.
Gradient of normal =−3= -3.
Equation of normal: y−3=−3(x−2)  ⟹  y=−3x+9y - 3 = -3(x - 2) \implies y = -3x + 9.
At BB, y=0  ⟹  −3x+9=0  ⟹  x=3y = 0 \implies -3x + 9 = 0 \implies x = 3. So BB is (3,0)(3, 0).

2. Set up the expression for the total shaded area.

The shaded area is the sum of the area under the curve from x=0x = 0 to x=2x = 2 and the area of the triangle formed by the normal from x=2x = 2 to x=3x = 3.
Total Area=∫022x+5 dx+Area of triangle\text{Total Area} = \int_{0}^{2} \sqrt{2x+5} \, dx + \text{Area of triangle}

3. Evaluate the definite integral for the area under the curve.

∫02(2x+5)12 dx=[(2x+5)3232×2]02\int_{0}^{2} (2x+5)^{\frac{1}{2}} \, dx = \left[ \frac{(2x+5)^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2} \times 2} \right]_{0}^{2}
=[13(2x+5)32]02= \left[ \frac{1}{3}(2x+5)^{\frac{3}{2}} \right]_{0}^{2}
=13(9)32−13(5)32= \frac{1}{3}(9)^{\frac{3}{2}} - \frac{1}{3}(5)^{\frac{3}{2}}
=273−553=9−553= \frac{27}{3} - \frac{5\sqrt{5}}{3} = 9 - \frac{5\sqrt{5}}{3}

4. Calculate the area of the triangle and the total area.

Area of triangle=12×base×height=12×(3−2)×3=1.5\text{Area of triangle} = \frac{1}{2} \times \text{base} \times \text{height} = \frac{1}{2} \times (3 - 2) \times 3 = 1.5
Total Area=9−553+1.5=10.5−553≈6.77\text{Total Area} = 9 - \frac{5\sqrt{5}}{3} + 1.5 = 10.5 - \frac{5\sqrt{5}}{3} \approx 6.77

答案

10.5−55310.5 - \frac{5\sqrt{5}}{3} or 6.776.77 (to 3 s.f.)

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