ESAME DI STAT DI LICE SCIENTIFIC CRS SPERIMENTALE P.N.I. 8 Il candidato risolva uno dei due problemi e 5 dei quesiti in cui si articola il questionario. PRBLEMA Nel piano riferito a coordinate cartesiane, ortogonali e monometriche, si considerino i triangoli ABC con A(; ), B(; ) e C variabile sulla retta di equazione.. Si provi che i punti (; ) e 5 ; 6 5 corrispondono alle due sole posizioni di C per cui è ACˆB 4.. Si determini l equazione del luogo geometrico descritto, al variare di C, dall ortocentro del triangolo ABC. Si tracci.. Si calcoli l area della parte di piano limitata da e dalle tangenti a nei punti A e B. 4. Verificato che (ln ), si illustri una procedura numerica per il calcolo approssimato di ln. PRBLEMA Siano f e g le funzioni definite, per ogni reale, da f () e g().. Si traccino i grafici di f e g e si indichi con A la loro intersezione di ascissa negativa.. Si calcoli, con uno dei metodi di approssimazione numerica studiati, l ascissa di A con due cifre decimali esatte.. Quanti e quali sono gli zeri della funzione h()? Si tracci il grafico di h. 4. Si calcoli l area racchiusa dal grafico di h e dall asse sull intervallo [; 4]. QUESTINARI 4 5 Siano dati un cono equilatero e la sfera in esso inscritta. Si scelga a caso un punto all interno del cono. Si determini la probabilità che tale punto risulti esterno alla sfera. Ricordando che il lato del decagono regolare inscritto in un cerchio è sezione aurea del raggio, si provi che sen 5. 4 Un solido ha per base un cerchio di raggio. gni sezione del solido ottenuta con un piano perpendicolare a un prefissato diametro è un triangolo equilatero. Si calcoli il volume del solido. Si esponga la regola del marchese de L Hospital (66-74) e la si applichi per dimostrare che è: 8 lim. Nel piano riferito a coordinate cartesiane (; ) si dica qual è l insieme dei punti per i quali risulta:. Zanichelli Editore, 9
6 7 8 9 I lati di un parallelepipedo rettangolo misurano 8, 9, e cm. Si calcoli, in gradi e primi sessagesimali, l ampiezza dell angolo che la diagonale mandata da un vertice fa con ciascuno dei tre spigoli concorrenti al vertice. Perché è geometria non euclidea? Che cosa e come viene negato della geometria euclidea? Si illustri la questione con gli esempi che si ritengono più adeguati. Sia f la funzione definita da f (). Si precisi il dominio di f e si stabilisca il segno delle sue derivate, prima e seconda, nel punto. In una classe composta da maschi e 8 femmine, viene scelto a caso un gruppo di 8 studenti. Qual è la probabilità che, in tale gruppo, vi siano esattamente 4 studentesse? Qual è l equazione della curva simmetrica rispetto all origine di e? Qual è quella della curva simmetrica rispetto alla bisettrice del primo e terzo quadrante? Durata massima della prova: 6 ore. È consentito soltanto l uso di calcolatrici non programmabili. Non è ammesso lasciare l aula degli esami prima che siano trascorse ore dalla dettatura del tema. Zanichelli Editore, 9
SLUZINE DELLA PRVA D ESAME CRS SPERIMENTALE P.N.I. 8 PRBLEMA. In un sistema cartesiano si considerano i punti A(; ), B(; ) e C variabile sulla retta di equazione. I punti C del piano che formano angoli = ACˆB 4 stanno su due circonferenze, e, passanti per A e B, di centri D e D, tali che l angolo al centro ADˆB ADˆB (figura ). Considerata la circonferenza di diametro AB ed equazione ( ), e l asse r del segmento AB, i punti D e D risultano intersezione tra tale circonferenza e l asse. Risolvendo il corrispondente sistema ( ) r si ottiene D(; ) e D (; ). Figura. I raggi delle circonferenze e risultano pertanto DA D A. Le equazioni delle due circonferenze sono quindi: : ( ) ( ), : ( ) ( ). Mentre la circonferenza non interseca la retta, la circonferenza interseca tale retta nei punti di coordinate soddisfacenti il sistema: C ( ) ( ) C 5 6 5 A(; ) B(; ). Esprimiamo il punto C in coordinate parametriche: C (t; t), con t (per t il triangolo ABC è degenere). Poiché in un triangolo l ortocentro è l intersezione delle altezze, troviamo le equazioni delle altezze relative ai lati BC e AB che hanno equazioni, rispettivamente: t ( ) e t. t tteniamo quindi il generico ortocentro risolvendo il sistema: t ( ) t t Eliminando il parametro si ottiene l equazione cartesiana di, luogo geometrico dell ortocentro, ossia: ( ) 4. C C 4 4 D D ' Zanichelli Editore, 9
Indicata con f () tale funzione, essa è definita nel campo reale per. Le intersezioni con l asse delle ascisse sono i punti A(; ), B(; ). Per il segno della funzione, nella figura è riportato il quadro dei segni. La curva presenta un asintoto verticale di equazione e un asintoto obliquo, che si ottiene calcolando i limiti: lim 4, lim 4, lim 4. + 4 Figura. + + + + + + L equazione dell asintoto obliquo è dunque. Calcoliamo la derivata prima e studiamo il suo segno (figura ): ( 4) ( 4 ) f (). 4 Esistono un punto di minimo relativo N( ; ) e un punto di massimo relativo M(; ). Nella figura 4 è rappresentato il grafico della funzione f ().. Determiniamo le equazioni delle tangenti a in A e B. La tangente in A è la retta per A con coefficiente angolare f ( A ) f () : la sua equazione è. In modo analogo si trova f ( B ) f () e la retta tangente a in B è la retta di equazione Figura. ' + + min ma N + A M B 4. Tali rette si intersecano nel punto P, soluzione del sistema: Nella figura 5 è evidenziata l area della parte di piano limitata da e dalle tangenti alla curva nei punti A e B. Essa si calcola come differenza tra l area del triangolo ABP e l area della regione di piano delimitata dalla curva con l asse : 4 d d 4 ln 9 4 6 ln 4 (ln ). L area cercata vale (ln ). Figura 4. Figura 5. P ; A B 4 Zanichelli Editore, 9
4. Posto g(), si osserva che d ln. Possiamo calcolare un valore approssimato di ln appli- cando il metodo dei trapezi all integrale d. Dividiamo l intervallo [; ] in n 4 parti uguali di ampiezza h e applichiamo il metodo di analisi numerica suddetto. 4 Costruiamo la seguente tabella. 5 g() 5 Risulta: g () d h g () g ( ) g ( ) g ( ) 5 6 6 7,66 L errore commesso è maggiorato da 4 ( ) m, con m valore massimo di g() in [; ] ovvero: 4 g () m, 4 ( ),8. 4 Pertanto risulta ln,. Figura 6. PRBLEMA. La funzione f () è la funzione esponenziale di base, mentre g() è una parabola con asse verticale, vertice nell origine e concavità rivolta verso l alto. Tracciamo i corrispondenti grafici e indichiamo con A, B, C i punti di intersezione delle due curve (figura 6).. Nella figura 6 osserviamo che il punto A ha ascissa negativa ed è uno zero della funzione h(). Tale funzione è definita, continua e derivabile infinite volte in R. Inoltre risulta h(), h( ), C pertanto A. La derivata prima e seconda hanno forma: h() (ln ), h() (ln ). La derivata seconda è crescente nell intervallo [; ], inoltre: = B h( ) ln, h() ln. In tale intervallo la derivata seconda mantiene costante e negativo il suo segno, concorde con h ( ). = A 5 Zanichelli Editore, 9
Applichiamo il metodo delle tangenti nell intervallo [; ] per determinare A, utilizzando la formula di ricorrenza: h ( n) n n. h ( n) I primi quattro termini di tale successione sono:, h ( ),7869, h ( ) ln 4 h ( ),7668, h ( ) h ( ),7666. h ( ) Poiché,,, il valore approssimato di A con due cifre decimali esatte è: A,76.. Come già osservato nel punto la funzione h() è definita, continua e derivabile infinite volte in R. Inoltre risulta h() (ln ) e h() (ln ). Dal grafico di figura 6 si deduce che, essendo tre i punti di intersezione tra le curve f () e g(), gli zeri della funzione differenza h() sono pertanto tre, di ascissa A, B e C. vvero: A,76, per il punto ; h(), h() 8 9, h() 4 4 B ; h(), h(5) 5 7 h(4) 6 6 C 4. L unicità e l esistenza degli zeri della funzione h può essere confermata alla luce del calcolo della derivata prima e seconda e del loro segno. Studiamo la derivata prima h() (ln ) e il suo segno. Benché non sia possibile stabilire con esattezza gli zeri di questa funzione, osserviamo che i punti in cui tale derivata si annulla sono quelli che verificano l equazione, ossia le ascisse dei punti di intersezione delle due curve e l n che mettiamo a sistema: l n Figura 7. ln Essendo una funzione convessa, le intersezioni di questa esponenziale con la retta possono essere al più (figura 7). l n Poiché h() ln ln, h() (ln ), mentre h(4) 8( ln ), concludiamo che gli unici zeri di h() sono ]; [ e ]; 4[. = ln = 6 Zanichelli Editore, 9
In figura 8 è rappresentato il quadro dei segni della derivata prima h(). La derivata seconda h() (ln ) si annulla per: h'() (ln ) ln ln ln ln ( ln ) ln,5. ln Figura 8. h() + ma min + Pertanto la funzione h ha concavità rivolta verso il basso per, concavità verso l alto per. Suddividiamo il dominio di h in 5 intervalli: in ] ; ], h e quindi h è crescente; poiché h( ) segue che h() per ; analogamente si verifica che h in [5; [ ed essendo h(5) segue che h() per 5; in [ ; ] la funzione h ha un solo zero, per il primo teorema di unicità dello zero, infatti h( ) h() e h() per ; si osservi che tale zero è l ascissa del punto A; in [; ] la funzione h ha un solo zero per il secondo teorema di unicità dello zero; per lo stesso teorema, ha un solo zero in [ ; 5], essendo h( ) h(5) e h() per 5. Pertanto le uniche intersezioni con gli assi cartesiani della funzione h sono: ( A ; ), (; ), (4; ), (; ). Il quadro del segno di h è: h() per A e 4; h() per 4. In figura 9 è riportato il grafico della funzione h. 4. L area della regione racchiusa tra il grafico di h e l asse sull intervallo [; 4], evidenziata in figura 9, è: A h() = 4 Area 4 ( )d ln 4 5 6 l. n Figura 9. QUESTINARI Consideriamo la sezione lungo l asse di simmetria di un cono equilatero (figura ). Indicato con r il raggio di base e con h l altezza, nel cono equilatero la lunghezza dell apotema è uguale al diametro di base. Pertanto risulta: h r, V cono r h r. C h La sfera inscritta ha raggio H. Considerati i triangoli simili CHB e HB vale la seguente proporzione: r H : HB HB : CH H : r r : h H r. r A Figura. H r B 7 Zanichelli Editore, 9
Il volume della sfera ha quindi espressione: V sfera 4 r 4 r. 7 La probabilità P che il punto all interno del cono sia esterno alla sfera è: V 4 r sfera P 7 5 V cono 9. r Vedi lo svolgimento del quesito della prova del corso di ordinamento 8. Il solido in questione è a base circolare, con raggio. Fissiamo un sistema cartesiano ortogonale il cui piano contenga il cerchio centrato nell origine del sistema (figura ). Sia P l ascissa di un generico punto P sul diametro sull asse delle ascisse, con P. Un piano passante per P e perpendicolare a tale diametro individua una corda AB di lunghezza: AB. Tale corda risulta essere uno dei tre lati del triangolo equilatero sezione del solido. La corrispondente altezza risulta: CP (. ) C A P Figura. z B P La funzione area del triangolo è pertanto: ( ) Area (ABC) ( ). Integrando tra e questa funzione, otteniamo il volume del solido: V ( )d 4. 4 Vedi lo svolgimento del quesito 4 della prova del corso di ordinamento 8. 5 Studiamo la disequazione equivalente alla data. Distinguiamo i seguenti casi: se, allora, mentre. Quindi la disequazione è sempre verificata per qualsiasi punto del secondo e terzo quadrante; se, la disequazione da studiare diventa, cioè e i punti che soddisfano la disequazione sono quelli dell asse escluso il punto (; ); se, la disequazione iniziale è equivalente a ovve- = = ro. Tracciate in un sistema cartesiano le curve di equazioni, per, nella figura è evidenziato l insieme dei punti che verifica la disequazione di partenza. Figura. 8 Zanichelli Editore, 9
6 Rappresentiamo il parallelepipedo rettangolo in figura. sserviamo che: VAˆP VBˆP VCˆP 9. Applicando il teorema di Pitagora ai triangoli rettangoli PUB e PVB, si ottiene: P PV UB PU VB a c b 64 44 8 7. C Per il teorema dei triangoli rettangoli in trigonometria si ricava: a 8 AVˆP arccos arccos 6 55 9, d 7 d c b 9 BVˆP arccos arccos 58, d 7 c CVˆP arccos arccos 45 5 55. d 7 U A a Figura. V b B 7 8 9 Si dice geometria euclidea la geometria che fonda le proprie basi sugli assiomi e postulati dettati dagli Elementi di Euclide. Storicamente vengono chiamate geometrie non euclidee quelle che negano o modificano il V Postulato di Euclide e da cui si possono quindi dedurre svariati teoremi non euclidei. Nella geometria di Lobacevskij-Bolai (denominata geometria iperbolica) si sostituisce al V Postulato di Euclide, un nuovo postulato secondo il quale Data una retta, per un punto esterno a essa è sempre possibile condurre almeno due rette che non la incontrano. Fra le conseguenze citiamo per esempio i seguenti teoremi non euclidei: la somma degli angoli interni di un triangolo è minore di due retti; due triangoli che hanno angoli interni congruenti sono necessariamente congruenti. La geometria iperbolica non è l unica che si può costruire in alternativa a quella euclidea. Infatti è possibile modificare il V Postulato nella proposizione: Data una retta, per un punto esterno a essa non è possibile condurre parallele alla retta data, ma questa sola modifica contraddirebbe una conseguenza dei primi due Postulati, almeno uno dei quali deve essere sostituito. Si presentano così due possibilità: a) sostituire il I Postulato con Due rette possono racchiudere un area, ottenendo la geometria sferica; b) sostituire il II Postulato, escludendo la possibilità di prolungare illimitatamente due rette. Così facendo si ottiene la geometria ellittica. Tra le conseguenze che accomunano queste due alternative possiamo citare le seguenti proposizioni: la somma degli angoli interni di un triangolo è maggiore di due retti; i triangoli che hanno angoli uguali sono tutti congruenti tra loro. Si osservi che ciò che contraddistingue maggiormente la geometria sferica da quella ellittica è che nella geometria sferica le rette sono linee chiuse, mentre ciò non accade nella geometria ellittica. Vedi lo svolgimento del quesito 8 della prova del corso di ordinamento 8. La probabilità P è espressa dal rapporto tra il numero f dei casi favorevoli e il numero u dei casi possibili. I casi possibili, vale a dire tutti i gruppi possibili di 8 studenti scelti a caso su un totale di studenti, sono: u 8! 5 97. 8!! 9 Zanichelli Editore, 9
I casi favorevoli si possono calcolare come prodotto tra il numero dei gruppi possibili di 4 studenti maschi sui totali per il numero dei gruppi possibili di 4 studentesse sulle 8 totali, ovvero: f 4 8 4! 8! 495 7 4 65. 8! 4! 4! 4! Di conseguenza, la probabilità che, estraendo 8 persone a caso in una classe composta da maschi e 8 femmine, vi siano 4 maschi e 4 femmine sarà: 4 65 P 55 7,5%. 5 97 499 Consideriamo la curva di equazione e. La simmetria di Figura 4. centro l origine ha equazioni: = e La trasformata della curva data rispetto a tale simmetria ha equazione: e ( ) e e. In figura 4 sono rappresentate la curva di partenza e la sua simmetrica rispetto all origine. La simmetria rispetto alla bisettrice del primo e terzo quadrante ha equazione: La trasformata della curva di equazione e rispetto a tale simmetria ha equazione: = e e ln ln. = e = In figura 5 sono rappresentati i grafici della funzione data e della sua trasformata secondo la simmetria rispetto alla bisettrice. = ln Figura 5. Zanichelli Editore, 9