题目
Problem
Figure 2 shows the plan view of a design for a pond.
Figure 2
The design consists of a sector AOBX of a circle centre O joined to a quadrilateral AOBC.
- BC=8m
- OA=OB=3m
- angle AOB=32π radians
- angle BCA=6π radians
(a) Calculate
(i) the exact area of the sector AOBX,
(ii) the exact perimeter of the sector AOBX.
(5)
(b) Calculate the exact area of the triangle AOB.
(2)
(c) Show that the length AB is 33m.
(2)
(d) Find the total surface area of the pond. Give your answer in m2 correct to 2 significant figures.
(5)
解答
(a)(i)
解法一
思路
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扇形 AOBX 是图中外侧的大扇形。已知小角 ∠AOB=32π,所以大扇形的圆心角是 2π−32π=34π。
答题过程
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The angle of the sector AOBX is
2π−32π=34π.
Using A=21r2θ,
area==21(3)2(34π)6π.
So the exact area is
6π m2.
(a)(ii)
解法一
思路
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扇形周长由两条半径和大弧长组成。弧长公式是 rθ。
答题过程
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The arc length is
rθ==3(34π)4π.
The sector perimeter is
4π+3+3=4π+6.
So the exact perimeter is
(4π+6) m.
(b)
解法一
思路
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三角形 AOB 的两边 OA 和 OB 都是 3,夹角是 32π,直接用面积公式 21absinC。
答题过程
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area of triangle AOB===21(3)(3)sin(32π)29⋅23493.
So the exact area is
493 m2.
(c)
解法一
思路
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在三角形 AOB 中已知两边和夹角,用余弦定理求 AB。这是 show that 题,要自然推出 33。
答题过程
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Using the cosine rule in triangle AOB:
AB2===32+32−2(3)(3)cos(32π)9+9−18(−21)27.
Since AB>0,
AB=27=33.
Hence
AB=33 m.
(d)
解法一
思路
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总面积等于大扇形面积、三角形 AOB 面积、三角形 ABC 面积之和。为了求三角形 ABC,先用正弦定理求角 BAC,再用夹角面积公式。
答题过程
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In triangle ABC,
AB=33,BC=8,∠BCA=6π.
Using the sine rule,
8sinBAC=sinBAC==33sin(6π)338⋅21334.
So
∠BAC=0.8785…
and hence
∠ABC=π−6π−0.8785…
Now
area of triangle ABC==21(33)(8)sin(π−6π−0.8785…)20.4896…
Therefore the total surface area is
6π+493+20.4896…==43.220…43 m2
to 2 significant figures.
解法二
思路
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三角形 ABC 也可以不用先求角。过 B 向 AC 作垂线,高是 8sin6π=4。再分别求底边两段,得到三角形 ABC 的精确面积。
答题过程
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Drop a perpendicular from B to AC, meeting AC at Y.
In triangle BCY,
BY==8sin(6π)4,
and
YC==8cos(6π)43.
In triangle ABY,
AY====AB2−BY2(33)2−4227−1611.
So
AC=11+43.
The area of triangle ABC is
21(AC)(BY)==21(11+43)(4)211+83.
Therefore the total surface area is
6π+493+211+83===6π+211+441343.220…43 m2
to 2 significant figures.
解法三
思路
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利用余弦定理直接建立一元二次方程求 AC 的方法。
在三角形 ABC 中,已知 BC=8,由 (c) 可知 AB=33,且角 ∠BCA=6π。
我们可以利用余弦定理直接建立关于 AC 的二次方程:AB2=AC2+BC2−2⋅AC⋅BCcos∠BCA。
代入已知数据化简整理后,得到一个一元二次方程:AC2−83AC+37=0。
解该方程求出 AC=43±11。因为 AC 在图形中是钝角三角形中最长的边,且 AC>BC=8,所以我们舍去较小根,取 AC=43+11。
接着利用面积公式 Area=21⋅BC⋅ACsin∠BCA 即可求出三角形 ABC 的面积,最后累加三部分面积得出总表面积。
答题过程
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Using the cosine rule in triangle ABC:
AB2=AC2+BC2−2⋅AC⋅BCcos∠BCA.
Substitute the given values AB=33, BC=8, and ∠BCA=6π:
(33)2=27=AC2−83AC+37=AC2+82−2⋅AC⋅8cos(6π)AC2+64−16⋅AC(23)0.
Solve for AC using the quadratic formula:
AC=====283±(−83)2−4(1)(37)283±192−148283±44283±21143±11.
\begin{align*}
Since AC is the longest side of the triangle (AC>BC=8), we choose the larger root:
\end{align*}
AC=43+11.
Now calculate the area of triangle ABC:
AreaABC====21⋅BC⋅ACsin∠BCA21(8)(43+11)sin(6π)4(43+11)(21)83+211.
The total surface area of the pond is:
Total Area===≈≈Areasector+AreaAOB+AreaABC6π+493+83+2116π+211+441343.220…43 m2
to 2 significant figures.