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Algebra · real student question

描述並畫出由不等式 x² + y² ≤ 9 與 y ≤ x + 1 所決定的平面區域,並求出邊界直線與圓的交點。

Question

描述並畫出由

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

所決定的區域,並求出邊界直線與圓的交點。

Step-by-step solution

  1. 把第一個不等式看成一個實心圓盤。 方程式 x2+y2=9x^{2}+y^{2}=9 表示以原點為圓心、半徑 9=3\sqrt{9}=3 的圓。因為不等號是 ≤\leq,區域是這個圓連同它的內部——一個閉圓盤。圓要畫成實線,表示邊界包含在內。

  2. 把第二個不等式看成一個閉半平面。 邊界 y=x+1y=x+1 是斜率 11、通過 (0,1)(0,1) 與 (−1,0)(-1,0) 的直線。由於 y≤x+1y\leq x+1,我們保留直線下方那一側;用原點檢驗,0≤0+10\leq 0+1 成立,所以含 (0,0)(0,0) 的那個半平面才是對的。這條直線也要畫成實線。

  3. 求邊界直線與圓的交點。 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

    由公式解得

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

  4. 換算成兩個交點的座標。 把每個根代回 y=x+1y=x+1:

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

    它們的近似值約為 (1.5616, 2.5616)(1.5616,\,2.5616) 與 (−2.5616, −1.5616)(-2.5616,\,-1.5616);把任一個代入 x2+y2x^{2}+y^{2} 都恰好得到 9.09.0,說明兩點確實都在圓上。又因為判別式 17>017>0,這條直線是真正的割線,而不是切線。

  5. 描述最後得到的區域。 答案是這個閉圓盤中較大的那一塊:半徑 33 的圓內或圓上,且同時位於直線 y=x+1y=x+1 上或下方的所有點。連接兩個交點的弦切下了直線上方那一小塊弓形,而這塊弓形是圓盤裡唯一被排除的部分。兩段邊界——圓弧與那條弦——都屬於這個區域,因為兩個不等式都是非嚴格的。

Answer

{(x,y):x2+y2≤9 且 y≤x+1} —— 半徑 3 的閉圓盤中位於割線 y=x+1, 下方的部分,割線與圓交於 x=−1±172\{(x,y): x^{2}+y^{2}\leq 9 \text{ 且 } y\leq x+1\}\ \text{—— 半徑 } 3 \text{ 的閉圓盤中位於割線 } y=x+1,\ \text{下方的部分,割線與圓交於 } x=\frac{-1\pm\sqrt{17}}{2}

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