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99 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

99學年度 · 99台大微積分B · 第 4 題

題目

4. 設 DD 為拋物線 y=4x−x2y=4x-x^2 與直線 y=mxy=mx 所圍成的區域,其中 m<2m<2。若直線 x=kx=k 將 DD 分割成面積相等的兩部分,則 k=(4)‾k=\underline{\quad(4)\quad}。

解答

解法一

思路

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  • 兩條曲線相交於 x=0x=0 與 x=4−mx=4-m,兩曲線之間的高度是二次式。
  • 令直線左側面積等於總面積一半,再解出位於區間內的根。

答題過程

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設 a=4−ma=4-m。由 m<2m<2 可知 a>0a>0,且區域的 xx 範圍為 [0,a][0,a]。在此範圍內,高度為

(4x−x2)−mx=x(a−x).(4x-x^2)-mx=x(a-x).

總面積為

∫0ax(a−x) dx=a36.\int_0^a x(a-x)\,\mathrm{d}x=\frac{a^3}{6}.

因此 kk 應滿足

∫0kx(a−x) dx=a312.\int_0^k x(a-x)\,\mathrm{d}x=\frac{a^3}{12}.

令 u=k/au=k/a,化簡為

u22−u33=112⟺4u3−6u2+1=0.\frac{u^2}{2}-\frac{u^3}{3}=\frac1{12} \quad\Longleftrightarrow\quad 4u^3-6u^2+1=0.

其中 u=12u=\frac12,其餘兩根不在 [0,1][0,1]。故

k=a2=4−m2.\boxed{k=\frac a2=\frac{4-m}{2}}.