Maturità ordinaria 1998 - Soluzione quesito 2
a)
Oltre che con il tradizionale metodo dell'analisi matematica, la curva può essere velocemente studiata notando che, scritta nella forma
2xy = x2-1
essa è una conica, ed in particolare un'iperbole di asintoti
x=0 e y=(1/2)x
come si può, tra l'altro, notare subito scrivendo la funzione nella forma
La curva taglia l'asse delle ascisse nei punti
A=(1;0) e B=(-1;0)
Il suo grafico è pertanto il seguente
b)
Il centro della circonferenza richiesta si trova sull'asse di AB (che è l'asse y) e sulla normale alla tangente in A all'iperbole.
Per trovare l'equazione della tangente in A all'iperbole calcoliamo la derivata dell'equazione di partenza:
il coefficiente angolare della tangente in A è
y'(1)=1
L'equazione della normale in A:
y=-x+1
che interseca l'asse y nel punto C=(0;1), che è il centro della circonferenza.
Il raggio è dato, per esempio, dalla distanza di C da A ed è
R2=2.
La circonferenza C" ha quindi equazione:
x2+(y-1)2=2 ==> x2 + y2- 2y -1 = 0.
c)
Cerchiamo l'ulteriore punto di intersezione tra C' e C":
Questo sistema conduce all'equazione
5x4 - 4x3 -6x2 + 4x + 1 = 0
che si abbassa di grado due volte con x=1 (punto di tangenza!) e una volta con x=-1;
si ottiene così la soluzione
x = -1/5
y = 12/5
Rappresentiamo le due curve nello stesso sistema di riferimento:
d)
Il coefficiente angolare della tangente in B alla circonferenza è uguale a -1 (opposto, per simmetria, di quello della tangente in A);
il coefficiente angolare della tangente in B all'iperbole è y'(-1)=1.
Ne segue che le due tangenti sono perpendicolari, quindi
C' e C" si secano in B secondo un angolo retto.
e)
A1=A(zona azzura) + A(zona verde)
A2=area cerchio - A1
La zona azzurra è un segmento circolare ad una base, la cui area si può trovare per differenza tra il settore circolare PCB ed il triangolo PCB.
Cerco l'angolo BCP:
mBC=1
mPC=-7
|tg (BCP)|=4/3 ==> tg(BCP)= - 4/3 (N.B. l'angolo BCP è ottuso);
Sussiste la seguente proporzione:
area settore: area cerchio= angolo settore:2p
da cui si ottiene
area settore circolare =arctg(-4/3)
Cerco l'area del triangolo BPC:
distanza di C dalla retta BP =
area triangolo BPC = 4/5
Area segmento circolare = arctg(-4/3) - 4/5
Cerco l'area delimitata dalla retta BP e dall'iperbole (zona verde):
equazione retta BP:
y = 3x + 3
L'area della zona verde si ottiene mediante l'integrale:
Sia ha pertanto:
A1 = arctg(-4/3) - 4/5 + 6/5 -ln(5)/2
A2 =2p - A1