求 kk 的取值范围,使得对于所有实数 xx,直线 y=kx+3y = kx + 3 完全位于曲线 xy+20=5yxy + 20 = 5y 的下方。 一元二次方程 mx2+5nx+9m=0mx^2 + 5nx + 9m = 0 有等根。已知 mm 和 nn 为正数,求 mn\frac{m}{n} 的值。并确定该二次方程有实数根时 mn\frac{m}{n} 的取值范围。

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完整解法

11(a)

1. Substitute the line into the curve equation

Substitute y=kx+3y = kx + 3 into xy+20=5yxy + 20 = 5y:
x(kx+3)+20=5(kx+3)x(kx+3) + 20 = 5(kx+3)
kx2+3x+20=5kx+15kx^2 + 3x + 20 = 5kx + 15

2. Form the quadratic equation in standard form

kx2+(3−5k)x+5=0kx^2 + (3 - 5k)x + 5 = 0
This is the equation whose roots are the xx-coordinates of intersection of the line and curve.

3. Apply the no-intersection (discriminant) condition

For the line to lie entirely below the curve (never meeting it) for all real xx, the quadratic must have no real roots:
b2−4ac<0b^2 - 4ac < 0
(3−5k)2−4(k)(5)<0(3 - 5k)^2 - 4(k)(5) < 0

4. Expand and simplify the inequality

9−30k+25k2−20k<09 - 30k + 25k^2 - 20k < 0
25k2−50k+9<025k^2 - 50k + 9 < 0

5. Solve the quadratic inequality in k

Factorise: (5k−1)(5k−9)<0(5k - 1)(5k - 9) < 0
15<k<95\frac{1}{5} < k < \frac{9}{5}

答案

15<k<95\dfrac{1}{5} < k < \dfrac{9}{5}

11(b)

1. Set up the discriminant equation for equal roots

For equal roots, the discriminant b2−4ac=0b^2 - 4ac = 0.
(5n)2−4(m)(9m)=0(5n)^2 - 4(m)(9m) = 0
25n2−36m2=025n^2 - 36m^2 = 0

2. Solve for the ratio $\frac{m}{n}$

36m2=25n236m^2 = 25n^2
m2n2=2536\frac{m^2}{n^2} = \frac{25}{36}
Since mm and nn are positive, mn>0\frac{m}{n} > 0.
mn=2536=56\frac{m}{n} = \sqrt{\frac{25}{36}} = \frac{5}{6}

3. Set up the discriminant inequality for real roots

For real roots, the discriminant b2−4ac⩾0b^2 - 4ac \geqslant 0.
25n2−36m2⩾025n^2 - 36m^2 \geqslant 0
36m2⩽25n236m^2 \leqslant 25n^2
m2n2⩽2536\frac{m^2}{n^2} \leqslant \frac{25}{36}

4. Solve for the range of $\frac{m}{n}$

−56⩽mn⩽56-\frac{5}{6} \leqslant \frac{m}{n} \leqslant \frac{5}{6}
Since mm and nn are given to be positive, mn>0\frac{m}{n} > 0.
Therefore, 0<mn⩽560 < \frac{m}{n} \leqslant \frac{5}{6}.

答案

mn=56\frac{m}{n} = \frac{5}{6}
Range: 0<mn⩽560 < \frac{m}{n} \leqslant \frac{5}{6}

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