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18导数及其应用★★★★☆
如图,在直径为 11 的圆 OO 中,作一关于圆心对称,邻边互相垂直的十字形,其中 y>x>0y > x > 0.
(1) 将十字形的面积表示为 θ\theta 的函数; (2) θ\theta 为何值时,十字形的面积最大?最大面积是多少?
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设图中十字形的横、纵两个长方形的长边均为 yy,短边均为 xx. 两个长方形的公共部分是边长为 xx 的正方形,所以十字形面积为 S=2xy−x2S=2xy-x^2. 由图中半径方向形成的直角三角形及圆的直径为 11,有 x=cos⁡θx=\cos\theta,y=sin⁡θy=\sin\theta. 条件 y>x>0y>x>0 给出 π4<θ<π2\frac\pi4<\theta<\frac\pi2,故 S(θ)=2sin⁡θcos⁡θ−cos⁡2θS(\theta)=2\sin\theta\cos\theta-\cos^2\theta.
\item 对上式求导,得 S′(θ)=2cos⁡2θ+sin⁡2θS'(\theta)=2\cos2\theta+\sin2\theta. 在 π4<θ<π2\frac\pi4<\theta<\frac\pi2 内,令 S′(θ)=0S'(\theta)=0,则 2cos⁡2θ+sin⁡2θ=02\cos2\theta+\sin2\theta=0. 因为 π2<2θ<π\frac\pi2<2\theta<\pi,所以 sin⁡2θ=25\sin2\theta=\frac2{\sqrt5},cos⁡2θ=−15\cos2\theta=-\frac1{\sqrt5}. 因而 θ=π4+12arccos⁡25\theta=\frac\pi4+\frac12\arccos\frac2{\sqrt5}. 此时
S=sin⁡2θ−cos⁡2θ=25−1+cos⁡2θ2=25−1−152=5−12S=\sin2\theta-\cos^2\theta =\frac2{\sqrt5}-\frac{1+\cos2\theta}{2} =\frac2{\sqrt5}-\frac{1-\frac1{\sqrt5}}2 =\frac{\sqrt5-1}{2}
区间端点不属于定义域;当 θ→π4+\theta\to\frac\pi4+ 和 θ→π2−\theta\to\frac\pi2- 时,面积分别趋于 12\frac12 和 00,均小于上述驻点处的面积. 又上述驻点唯一且导数由正变负,所以该值为最大面积. \end{enumerate} \end{solution}

2005 · 辽宁 · 第 18 题 · 解答题

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