一位德明政府中学(Dunman High)的校友计划捐款在正心园(Zheng Xin Yuan)中央建造两个锦鲤池。这两个池塘的形状分别为“D”和“H”,如下图所示(所有尺寸均以米为单位,且图表未按比例绘制)。 阴影区域表示池塘的水面。“D”形池塘由一个 的矩形以及由两个半径分别为 和 的同心半圆构成的弯曲区域组成。“H”形池塘由七个边长为 的相同正方形组成。 证明这两个池塘的总表面积 m 由下式给出: 景观设计师建议 ,其中 为常数。随着 和 的变化,求 取得驻值时 的准确值。确定该驻点的性质,并在 时利用计算器求出 的驻值。 曲线 的方程为 通过求导,求出使 上不存在对应点时 的准确取值集合。
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完整解法
12(a)(i)
1. Find the surface area of the 'D' pond.
The 'D' pond consists of a rectangle and a semicircular annulus.
2. Find the surface area of the 'H' pond and sum them up to show the final equation.
The 'H' pond consists of 7 identical squares of side .
(shown)
12(a)(ii)
1. Express $A$ in terms of a single variable $r$.
Given , we have .
Substitute this into :
2. Differentiate $A$ with respect to $r$ and find the condition for a stationary point.
For a stationary value, :
3. Find the exact value of $\frac{r}{h}$.
Substitute back into the stationary condition:
Since lengths must be non-zero (), divide both sides by :
Since lengths and must be positive:
4. Determine the nature of the stationary point using the second derivative.
Since and , .
Therefore, the stationary point is a minimum.
5. Evaluate the stationary value of $A$ when $k = 1$.
When , the stationary condition gives:
Substitute and into the expression for :
; Minimum;
12(b)
1. Find the first derivative of the given function.
Rewrite the equation as:
Differentiate with respect to :
2. Equate the derivative to zero to find the $x$-coordinates of the stationary points.
At the stationary points, :
3. Calculate the corresponding $y$-coordinates of the stationary points.
Substitute the -values into the original equation to find the corresponding -values:
When :
When :
4. Use the second derivative to determine the nature of the stationary points and define the empty range for $y$.
Use the second derivative test:
When , , meaning the curve has a local minimum at .
When , , meaning the curve has a local maximum at .
The function exhibits two separate continuous branches (for and ). The curve only exists for and .
Therefore, there are no points on for values of strictly between the local maximum and minimum:
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