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111 台灣大學微積分(B) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

111學年度 · 111台大微積分B · 第 4 題

題目

Problem

4. Consider the parametric curve x=2t2+1,y=4tx = 2t^2+1, y=4t. Let PP be the point (2p2+1,4p)(2p^2+1, 4p). The greatest value of pp such that the normal to the curve at PP passes through (31,24)(31, -24) is p=(7).p = \underline{\quad (7) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 寫出參數曲線在任意參數 tt 處的切線斜率 mTm_TmT=dydx=dy/dtdx/dtm_T = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\mathrm{d}y/\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x/\mathrm{d}t}
  2. 求出法線斜率 mN=1mTm_N = -\frac{1}{m_T}
  3. 利用法線通過點 P(2p2+1,4p)P(2p^2+1, 4p) 及已知點 (31,24)(31, -24) 建立斜率方程式。
  4. 求解所得之三次代數方程,並找出最大的實數解 pp

答題過程

展開

首先求切線斜率:

dxdt=4t,dydt=4    mT=dydx=44t=1t\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 4t, \quad \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 4 \implies m_T = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{4}{4t} = \frac{1}{t}

在點 PP(即 t=pt=p 處),切線斜率為 mT=1p\displaystyle m_T = \frac{1}{p},故法線斜率為:

mN=pm_N = -p

法線通過點 P(2p2+1,4p)P(2p^2+1, 4p)(31,24)(31, -24),其兩點構成之斜率式為:

mN=4p(24)(2p2+1)31=4p+242p230=2p+12p215m_N = \frac{4p - (-24)}{(2p^2+1) - 31} = \frac{4p+24}{2p^2-30} = \frac{2p+12}{p^2-15}

令兩斜率相等建立方程式:

p=2p+12p215    p3+15p=2p+12    p313p+12=0-p = \frac{2p+12}{p^2-15} \implies -p^3 + 15p = 2p + 12 \implies p^3 - 13p + 12 = 0

觀察易知 p=1p=1 為其一實根。使用多項式除法因式分解:

(p1)(p2+p12)=(p1)(p3)(p+4)=0(p-1)(p^2 + p - 12) = (p-1)(p-3)(p+4) = 0

解得實根 p=1,3,4p = 1, 3, -4。 題目要求最大的 pp 值,故最大值為 p=3p=\boxed{3}