Question

（13分）如圖，某隧道設(shè)計(jì)為雙向四車道，車道總寬20m，要求通行車輛限高5m，隧道全長(zhǎng)2.5km，隧道的兩側(cè)是與地面垂直的墻，高度為3米，隧道上部拱線近似地看成半個(gè)橢圓。

（1）若最大拱高h(yuǎn)為6 m，則隧道設(shè)計(jì)的拱寬是多少？
（2）若要使隧道上方半橢圓部分的土方工程 量最小，則應(yīng)如何設(shè)計(jì)拱高h(yuǎn)和拱寬？（已知：橢圓+=1的面積公式為S=，柱體體積為底面積乘以高。）
（3）為了使隧道內(nèi)部美觀，要求在拱線上找兩個(gè)點(diǎn)M、N，使它們所在位置的高度恰好是限高5m，現(xiàn)以M、N以及橢圓的左、右頂點(diǎn)為支點(diǎn)，用合金鋼板把隧道拱線部分連接封閉，形成一個(gè)梯形，若l=30m，梯形兩腰所在側(cè)面單位面積的鋼板造價(jià)是梯形頂部單位面積鋼板造價(jià)的倍，試確定M、N的位置以及的值，使總造價(jià)最少。

Answer 1

（1）m；（2）當(dāng)拱高為(+3)m、拱寬為20m時(shí)，隧道上方半橢圓部分的土方工程量最小;（3）,.

試題分析：（1）先建立直角坐標(biāo)系，找到對(duì)應(yīng)橢圓方程再把b=h-3=3與點(diǎn)P坐標(biāo)代入橢圓方程，即可求出隧道設(shè)計(jì)的拱寬l是多少；
（2）轉(zhuǎn)化為求半橢圓的面積最小值問題，對(duì)橢圓方程用基本不等式即可求出對(duì)應(yīng)的半橢圓面積以及滿足要求的拱高h(yuǎn)和拱寬l．
（3）先求出總造價(jià)的表達(dá)式，再利用導(dǎo)函數(shù)研究其最值即可．
試題解析：解：（1）如下圖建立直角坐標(biāo)系，則點(diǎn)P（10，2），橢圓方程為+=1，將b=h－3=3與點(diǎn)P坐標(biāo)代入橢圓方程，得a=，l=2a=，隧道的拱寬約為m。 5分
（2）要使隧道上方半橢圓部分的土方工程量最小，由柱體的體積公式可知：只需半橢
圓的面積最小即可。
由橢圓方程+=1，得+=1。因?yàn)?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic2/upload/papers/20140824/20140824032107177498.png" style="vertical-align:middle;" />+≥，即ab≥40，…8分
所以半橢圓面積S=≥。當(dāng)S取最小值時(shí)，有==，得a=10，b=，此時(shí)l=2a=20，  h=b+3=+3，故當(dāng)拱高為(+3)m、拱寬為20m時(shí)，隧道上方半橢圓部分的土方工程量最小                             13分
（3）設(shè)，
設(shè)=+·
=2（10），則
令得或17（舍）∴時(shí)，取最小值，此時(shí),代入橢圓方程得  ∴…           13分