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Algebra · real student question

描述并画出由不等式组 x² + y² ≤ 9 与 y ≤ x + 1 所确定的平面区域,并求出边界直线与圆的交点。

Question

描述并画出由

{x2+y2≤9y≤x+1\begin{cases} x^{2}+y^{2}\leq 9 \\ y\leq x+1 \end{cases}

所确定的区域,并求出边界直线与圆的交点。

Step-by-step solution

  1. 把第一个不等式看成一个实心圆盘。 方程 x2+y2=9x^{2}+y^{2}=9 表示以原点为圆心、半径为 9=3\sqrt{9}=3 的圆。因为不等号是 ≤\leq,区域是这个圆连同它的内部 —— 一个闭圆盘。圆要画成实线,表示边界包含在内。

  2. 把第二个不等式看成一个闭半平面。 边界 y=x+1y=x+1 是斜率为 11、过 (0,1)(0,1) 和 (−1,0)(-1,0) 的直线。由于 y≤x+1y\leq x+1,我们保留直线下方那一侧;用原点检验,0≤0+10\leq 0+1 成立,所以含 (0,0)(0,0) 的那个半平面才是对的。这条直线也要画成实线。

  3. 求边界直线与圆的交点。 把 y=x+1y=x+1 代入 x2+y2=9x^{2}+y^{2}=9:

    x2+(x+1)2=9 ⟹ 2x2+2x+1=9 ⟹ 2x2+2x−8=0 ⟹ x2+x−4=0x^{2}+(x+1)^{2}=9\ \Longrightarrow\ 2x^{2}+2x+1=9\ \Longrightarrow\ 2x^{2}+2x-8=0\ \Longrightarrow\ x^{2}+x-4=0

    由求根公式得

    x=−1±1+162=−1±172x=\frac{-1\pm\sqrt{1+16}}{2}=\frac{-1\pm\sqrt{17}}{2}

  4. 换算成两个交点坐标。 把每个根代回 y=x+1y=x+1:

    (−1+172, 1+172)和(−1−172, 1−172)\left(\frac{-1+\sqrt{17}}{2},\ \frac{1+\sqrt{17}}{2}\right)\quad\text{和}\quad\left(\frac{-1-\sqrt{17}}{2},\ \frac{1-\sqrt{17}}{2}\right)

    它们的近似值约为 (1.5616, 2.5616)(1.5616,\,2.5616) 和 (−2.5616, −1.5616)(-2.5616,\,-1.5616);把任意一个代入 x2+y2x^{2}+y^{2} 都精确得到 9.09.0,说明两点确实都在圆上。又因为判别式 17>017>0,这条直线是真正的割线,而不是切线。

  5. 描述最终得到的区域。 答案是这个闭圆盘中较大的那一块:半径为 33 的圆内或圆上,且同时位于直线 y=x+1y=x+1 上或下方的所有点。连接两个交点的弦切下了直线上方那一小块弓形,而这块弓形是圆盘里唯一被排除的部分。两段边界 —— 圆弧和那条弦 —— 都属于该区域,因为两个不等式都是非严格的。

Answer

{(x,y):x2+y2≤9 且 y≤x+1} —— 半径为 3 的闭圆盘中位于割线 y=x+1 下方的部分,割线与圆的交点为 x=−1±172\{(x,y): x^{2}+y^{2}\leq 9 \text{ 且 } y\leq x+1\}\ \text{—— 半径为 } 3 \text{ 的闭圆盘中位于割线 } y=x+1 \text{ 下方的部分,割线与圆的交点为 } x=\frac{-1\pm\sqrt{17}}{2}

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