ESAME DI STATO DI LICEO SCIENTIFICO CORSO DI ORDINAMENTO 2001 Sessione ordinaria
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- Gianpaolo Zamboni
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1 ESAME DI STATO DI LICEO SCIENTIFICO CORSO DI ORDINAMENTO 00 Sessione ordinaria Il candidato risolva uno dei due problemi e dei 0 quesiti in cui si articola il questionario. PROBLEMA Si consideri la seguente relazione tra le variabili reali, :, a dove a è un parametro reale positivo. a) Esprimere in funzione di e studiare la funzione così ottenuta, disegnandone il grafico in un piano riferito ad un sistema di assi cartesiani ortogonali (O). b) Determinare per quali valori di a la curva disegnata risulta tangente o secante alla retta t di equazione. c) Scrivere l equazione della circonferenza k che ha il centro nel punto di coordinate (; ) e intercetta sulla retta t una corda di lunghezza. d) Calcolare le aree delle due regioni finite di piano in cui il cerchio delimitato da k è diviso dalla retta t. e) Determinare per quale valore del parametro a il grafico, di cui al precedente punto a), risulta tangente alla circonferenza k. PROBLEMA Considerato un qualunque triangolo ABC, siano D ed E due punti interni al lato BC tali che: BD DE EC. Siano poi M ed N i punti medi rispettivamente dei segmenti AD ed AE. a) Dimostrare che il quadrilatero DENM è la quarta parte del triangolo ABC. b) Ammesso che l area del quadrilatero DENM sia a, dove a è una lunghezza assegnata, e ammesso che l angolo ABˆC sia acuto e si abbia inoltre: AB a, BC a, verificare che tale quadrilatero risulta essere un trapezio rettangolo. c) Dopo aver riferito il piano della figura, di cui al precedente punto b), ad un conveniente sistema di assi cartesiani, trovare l equazione della parabola, avente l asse perpendicolare alla retta BC e passante per i punti M, N, C. d) Calcolare, infine, le aree delle regioni in cui tale parabola divide il triangolo ADC. Zanichelli Editore, 006
2 QUESTIONARIO Indicata con f () una funzione reale di variabile reale, si sa che f () l per a, essendo l ed a numeri reali. Dire se ciò è sufficiente per concludere che f (a) l e fornire un esauriente spiegazione della risposta. Sia f () una funzione reale di variabile reale, continua nel campo reale, tale che f (0). Calcolare: f () dt 0 lim, 0 e dove e è la base dei logaritmi naturali. Si consideri il cubo di spigoli AA, BB, CC, DD in cui due facce opposte sono i quadrati ABCD e A B D C. Sia E il punto medio dello spigolo AB. I piani ACC e D DE dividono il cubo in quattro parti. Dimostrare che la parte più estesa è il quintuplo di quella meno estesa. Un tronco di piramide ha basi di aree B e b ed altezza h. Dimostrare, col metodo preferito, che il suo volume V è espresso dalla seguente formula: V h (B b Bd ). In ogni caso esplicitare ciò che si ammette ai fini della dimostrazione Sia f () una funzione reale di variabile reale, derivabile in un intervallo [a, b] e tale che, per ogni di tale intervallo, risulti f () 0. Dimostrare che f () è costante in quell intervallo. Dimostrare che si ha: n n n k k k dove n, k sono numeri naturali qualsiasi, con n k 0. Fra i triangoli inscritti in un semicerchio quello isoscele ha: A) area massima e perimetro massimo; B) area massima e perimetro minimo; C) area minima e perimetro massimo; D)area minima e perimetro minimo. Una sola risposta è corretta: individuarla e darne un esauriente spiegazione. Considerata la funzione: f () a a, dove a è un parametro reale non nullo, determinare i valori di a per cui essa ha un massimo e un minimo relativi e quelli per cui non ha punti estremanti. Zanichelli Editore, 006
3 9 0 Il limite della funzione sen cos, quando tende a, A) è uguale a 0; B) è uguale ad ; C) è un valore diverso dai due precedenti; D)non è determinato. Una sola risposta è corretta: individuarla e darne un esauriente spiegazione. Si consideri la funzione sen. Stabilire se si può calcolarne il limite per e spiegare se il calcolo può essere effettuato ricorrendo al teorema di De cos L Hospital. Durata massima della prova: 6 ore È consentito soltanto l uso di calcolatrici non programmabili. Non è consentito lasciare l Istituto prima che siano trascorse ore dalla dettatura del tema. Zanichelli Editore, 006
4 SOLUZIONE DELLA PROVA D ESAME CORSO DI ORDINAMENTO 00 Sessione ordinaria PROBLEMA a) Posto 0 e 0, la relazione diventa a a = a a a a da cui. La funzione da studiare è a a A a a con dominio 0 a. Si tratta di una funzione a C omografica il cui grafico è un iperbole equilatera con asintoti a e a, centro di simmetria C (a; a) e vertici A(a; a), O(0; 0). In quest ultimo punto la funzione non è però definita e O a a a presenta una discontinuità di terza specie con 0. Si a può tracciare il grafico (figura ) nel quale il valore di a è stato Figura. scelto in maniera arbitraria. a b) Si valuta la posizione reciproca tra la funzione e la retta discutendo il sistema a. L equazione risolvente è a 0; essa ammette soluzioni reali se e solo se il discriminante è positivo o nullo. Poiché a, risulta a 0 per a. Pertanto la retta t è secante per a, è tangente per a. c) La circonferenza k ha centro C (; ) noto e raggio incognito. Si tracci la perpendicolare C H alla retta t (figura ). Per un teorema della geometria euclidea, tale perpendicolare divide a metà la corda BD che la circonferenza stacca sulla retta. La distanza del punto C (; ) dalla retta vale: C H, mentre HB B D HB. Applicando il teorema di Pitagora al triangolo BC H, risulta C B. Esso è il raggio cercato. L equazione della circonferenza k è: ( ) ( ) ovvero 0. d) Ponendo a sistema l equazione della circonferenza k e la retta t si trovano le coordinate dei punti B e D: 0 B ; D. Valutando le coordinate dei punti C, B e D si osserva che i segmenti C B e C D sono rispettivamente paralleli agli assi cartesiani e quindi tra loro perpendicolari. Pertanto il settore circolare delimitato dall angolo BĈ D è la quarta parte del cerchio corrispondente alla circonferenza. Indicata con S l area del minore dei segmenti circolari in cui la retta t divide la circonferenza k, essa si ottiene per differenza t O C D H S B + = + = 0 Figura. Zanichelli Editore, 006
5 tra l area del settore e l area del triangolo C BD. S ( ). L area S del restante segmento circolare si ricava per differenza tra l area del cerchio e S : S () (). e) La risoluzione è compiuta per via geometrica poiché la discussione algebrica della tangenza tra circonferenza e iperbole porterebbe a un sistema di quarto grado difficilmente risolvibile per via elementare. Nella figura sono rappresentate le possibili posizioni dell iperbole parametrica rispetto alla circonferenza. a. b. c. Figura. Si osserva che entrambe le curve sono simmetriche rispetto alla bisettrice del I e III quadrante: nella circonferenza il centro si trova sulla bisettrice che è pertanto diametro e quindi asse di simmetria della circonferenza; nell iperbole la retta costituisce l asse trasverso dell iperbole stessa e pertanto è asse di simmetria. Ne consegue che i punti di intersezione tra le due curve sono a due a due simmetrici rispetto all asse di simmetria. Nel caso della tangenza due di questi punti devono coincidere e quindi trovarsi sulla bisettrice. Si trova il punto di tangenza T (figura b) risolvendo il sistema: 0 (non accettabile). a Si impone all iperbole il passaggio per il punto T (, ): a a ( ) ( )( a) a ( ) a. a L iperbole è tangente alla circonferenza k per a. PROBLEMA a) Compiuta la costruzione (figura ), si applica una proprietà conseguenza del teorema di Talete al triangolo ADE: una retta, che determina su due lati di un triangolo segmenti proporzionali, è parallela al terzo lato. Pertanto, essendo AM MD AN NE, MN è parallelo a BC e il quadrilatero DENM è un trapezio. I triangoli AMN e ADE sono simili per il primo criterio e il rapporto di similitudine vale. Ne consegue che il rapporto tra le aree risulta, quindi: S AMN S ADE e quindi S DENM S ADE. Osservando i tre triangoli ABD, ADE e AEC, in cui è diviso il triangolo ABC, essi hanno base e altezza rispettivamente congruenti. Sono quindi A N M B H D E C Figura. Zanichelli Editore, 006
6 equivalenti. Si può scrivere allora S ADE S ABC, che, sostituita all ultima relazione trovata, porta all espressione: S DENM S ADE S ABC S ABC. b) Poiché l area del quadrilatero DENM è un quarto dell area del triangolo ABC, quest ultimo ha superficie 90a. Si può ricavare l altezza AH: AH S B ABC C AH 90a a. a Si applichi il teorema di Pitagora al triangolo ABH: BH AB AH BH 6 9a a a. M A N Risulta BH BC e quindi H D. Il trapezio DENM è dunque rettangolo (figura ). c) Si ponga un sistema di assi cartesiani come nella figura 6, con O C. Dai dati geometrici precedenti le coordinate dei punti sono: B DH E C Figura. A(0a; a), M (0a; 6a), N a; 6a, B (a; 0), D (0a; 0) e E (a; 0). Vista la scelta del sistema cartesiano l equazione della parabola con asse di simmetria perpendicolare al lato BC è della forma: r s. Imponendo alla funzione il passaggio per i punti N e M si ottiene il sistema A a due incognite: 6a r a r 0 s a. 6a r (0a) s (0a) M N r Risolvendo si ricava la soluzione a. s 7 L equazione della parabola è pertanto: 7. Figura 6. Nella figura 6 è tracciata la parabola. a d) Osservando la figura 6, si nota che la curva interseca il segmento AC oltre che nel punto O (0; 0) anche in un ulteriore punto P, di cui è necessario calcolare le coordinate. La retta passante per A e C ha equazione 6. 6 Il sistema ha 7 a soluzioni (0; 0) e P a; a. Si calcolano le aree delle figure mistilinee in cui la parabola divide il triangolo ADC attraverso l integrazione definita. a S AMP 0 a 6 0a 7 d B D E C a O a 0a a a a 0 7 a a a 0 a a. 0a 8 P a 6a a 6 Zanichelli Editore, 006
7 L area rimanente S MPCD, che si trova sotto alla parabola, si calcola per differenza tra l area del triangolo ADC e l area S AMP : S MPCD 0a a a a. 8 8 QUESTIONARIO Se esiste finito il limite lim f () l, ciò è insufficiente per affermare che l immagine della funzione nel punto a vale f (a) l. Infatti, nelle ipotesi, non è noto che il punto a appartenga al dominio della funzione. a Tale punto potrebbe essere soltanto un punto di accumulazione del dominio. È il caso, per esempio, della funzione f (). Essa non è definita nel punto ma esiste il limite lim lim ( ). Il punto in questione è di discontinuità di terza specie. Diversamente, qualora il valore appartenga al dominio della funzione f, può essere che f (a) l. se Per esempio, la funzione f () ammette limite lim f () ma ciò è diverso dall imma- se gine f (). Si tratta ancora di un punto di discontinuità di terza specie. Partendo dal numeratore della frazione di cui è richiesto il calcolo del limite, poiché la funzione è continua in R, si può applicare il teorema della media integrale alla funzione f nell intervallo [0; ]: 0 f (t) dt f (z) ( 0) f (z), con z [0; ]. f (t) dt 0 Pertanto lim f (z) lim f (z) 0. e e 0 e Ora, essendo z [0; ], se tende a 0 anche z tenderà a 0 e lim f (z) lim f (z) per l ipotesi di continuità. 0 0 f (t) dt 0 Risulta quindi lim lim f ( z). 0 e 0 e e 0 La costruzione richiesta dalle ipotesi è la seguente. Osservando la figura si nota che le quattro parti in cui viene suddiviso il cubo sono prismi retti che hanno la stessa altezza, pari allo spigolo del cubo (figura 7). Il confronto dei volumi richiesto si riduce così a un problema di geometria piana dove si confrontano le aree in cui viene a essere scomposta la superficie di base ABCD (figura 8). Si indica con a il lato del cubo. I triangoli AEF e DFC sono simili per il primo criterio di similitudine tra triangoli. Il rapporto di similitudine risul- AE ta:. D C a a. Tale rapporto vale anche per le altezze HF e FK e D' C' A' B' D C A E B Figura 7. 7 Zanichelli Editore, 006
8 quindi HF FK. Poiché HF FK a ne consegue che: D K C HF a e FK a. Si calcolano così le superfici: S AEF a a a ; S CFD a a a ; F S AFD S ACD S CDF a a a ; 6 S FEBC S ABC S AEF a a a ; A H E B Figura 8. La superficie più estesa S FEBC è il quintuplo della superficie meno estesa S AEF. Tale relazione è mantenuta per i corrispondenti volumi. Si prolunghino gli spigoli laterali del tronco di piramide di base, per esempio, triangolare (figura 9) e si tracci l altezza OH della piramide ottenuta. Si assuma OH h. Nota l espressione del volume di una piramide, il volume del tronco di piramide si calcola come la differenza dei volumi delle piramidi di vertice O e basi coincidenti con quelle del tronco. Pertanto: V B h b (h h) [h (B b) bh]. h' O K Ricordando il teorema relativo alle sezioni parallele di una piramide, in cui le aree delle sezioni sono direttamente proporzionali ai quadrati delle loro distanze dal vertice della piramide, si può scrivere: B b h (h h) e, estraendo la radice quadrata, B b h (h h). Da quest ultima relazione si ricava h : h H Figura 9. h hb B Bb h h. B b B b b B Infine, si sostituisce tale risultato nell espressione del volume: V [h (B b) bh ] [h (B Bb) bh ] h (B b Bb ). Si prenda un punto [a; b ]. Nell intervallo [a; ] la funzione soddisfa il Teorema di Lagrange cioè esiste almeno un punto c ]a; [ tale che: f ( ) f (a) f (c). a Per ipotesi f (c) 0, pertanto f () f (a) 0, cioè f () f (a) per ogni [a; b ]. La funzione è quindi costante nell intervallo di definizione. 8 Zanichelli Editore, 006
9 6 7 8 Si tratta della formula di Stifel dei coefficienti binomiali. Tale espressione, assunta come vera, può essere verificata membro a membro utilizzando la legge dei tre fattoriali n n!. Diversamente, essa si k k!(n k)! dimostra facendo riferimento al significato di n come il numero delle combinazioni di classe k i cui elementi sono scelti da un insieme A di n elementi distinti. Indicato con a un elemento di A, le combinazioni k di classe k che contengono l elemento a sono quelle combinazioni di n elementi di classe k, a cui si aggiunge l elemento a stesso. Il numero di questi sottoinsiemi è n. k Le combinazioni di classe k che non contengono l elemento a sono invece n. Pertanto, sommando k le combinazioni che contengono a con quelle che non lo contengono, si ottiene il numero complessivo delle combinazioni di n elementi di classe k cioè: n n n. k k Osservando la figura 0 si nota che un triangolo inscritto nella semicirconferenza ha area massima quando è massima l altezza CH. Ciò si realizza quando quest ultima coincide con il raggio r della semicirconferenza e il triangolo è isoscele (ABC ). Posto BÂC, con 0, si trova il perimetro f () del triangolo ABC: f () r r cos r sen. Si valutano i massimi e i minimi della funzione discutendo il segno della derivata prima f (): f () r ( sen cos ) 0. k Risolvendo la disequazione risulta che f è crescente per 0, decrescente per e ha massimo nel punto. Se BÂC ; il triangolo ABC è isoscele. Pertanto il triangolo isoscele inscritto ha area e perimetro massimo e la risposta esatta è A). La funzione polinomiale f () a a è continua e derivabile nel campo reale. Essa ha degli estremanti solo se la sua derivata prima, f () a a, non ha segno costante. Ciò avviene se il discriminante di f () risulta strettamente maggiore di zero, cioè: A r C' C O H B Figura 0. a 9a 0 a 9 a 0. Si può concludere che per a 9 a 0 la funzione f ha estremanti, mentre per 9 a 0 non ne ha. 9 Zanichelli Editore, 006
10 Si noti che nel caso limite a 9 la derivata prima diventa: f () 7 9 Essa si annulla nel punto ed è negativa per ogni altro valore di. In tal caso la funzione non ha estremanti e ha in un punto di flesso orizzontale. 9 0 Si tratta di calcolare il limite lim sen cos. La funzione al numeratore, sen cos, non ammette limite per ma è comunque limitata se si tiene conto che sen e cos. Si può scrivere: sen cos sen cos e pertanto. Poiché lim 0 e lim 0, per il teorema del confronto risulta lim sen cos 0 e la risposta esatta è A). Dato il limite lim sen, si raccoglie al numeratore e al denominatore della frazione: cos se n lim sen lim se n lim. cos co s co s sen Poiché sen e quindi, per il teorema del confronto vale lim se n 0. Allo stesso modo si dimostra che lim co s 0. Pertanto esiste il limite: se n lim sen lim. cos co s f( ) Alla luce del teorema di De L Hospital, volendo trattare il limite lim, una delle condizioni dell ipotesi g ( ) è che deve esistere un valore M tale che, M, le funzioni f () e g () siano derivabili e g () 0. Nel caso in questione g () cos e g () sen. Si osserva che la derivata prima si annulla per k con k intero e quindi non esiste un intorno di in cui valga sempre g () 0. Pertanto il teorema non può essere applicato. 0 Zanichelli Editore, 006
11 Per esercitarti ancora sugli argomenti trattati nel Svolgi il Problema Esercizio 70 pag. U 0 (punto a) Esercizio 7 pag. L Esercizio 7 pag. L Esercizio pag. L Esercizio pag. L 7 Problema Esercizio 88 pag. P + 9 Problema pag. L (punti a, b, c) Esercizio pag. W 0 Quesito Quesito pag. U 07 Quesito Quesito pag. W 6 Quesito pag. W 7 Quesito Esercizio 0 pag. π 8 Quesito Quesito 6 pag. π 96 Quesito Quesito pag. V 6 Quesito 6 Esercizio pag. Quesito 7 Esercizio 6 pag. V 0 Quesito 8 Esercizio 9 pag. V 9 Problema pag. V 6 (punto a) Quesito 9 Quesito pag. U 7 Quesito 0 Esercizio 9 pag. V (punto a) Problema 0 pag. V 8 (punti a e b) Zanichelli Editore, 006
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