Quesiti - Matefilia
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www.matefilia.it PNI 2009 - SESSIONE SUPPLETIVA QUESITO 1 Nel gioco del lotto, qual è la probabilità dellβestrazione di un numero assegnato? Quante estrazioni occorre effettuare perché si possa aspettare, con una probabilità p = 1/2 assegnata, di vederlo uscire almeno una volta? Le cinquine favorevoli equivalgono alle combinazioni semplici di 89 oggetti a 4 a 4. Le cinquine possibili equivalgono alle combinazioni semplici di 90 oggetti a 5 a 5. Quindi: πΆ89,4 2441626 1 π(ππ π‘πππ§ππππ ππ 1 ππ’ππππ ππ π πππππ‘π) = = = πΆ90,5 43949268 18 La probabilità che NON esca mai un dato numero in n estrazioni è data da: 1 π 17 π ) =( ) 18 18 La probabilità che il numero dato esca almeno una volta in n estrazioni è pari a: (1 β π = 1β( 17 π ) 18 Tale probabilità è uguale a 1/2 se: 17 π 1 1 β (18) = 2 βΉ 17 π 1 (18) = 2 17 π 1 βΉ ππ (18) = ππ (2) π= 1 ππ (2) 17 ππ (18) 17 1 βΉ π β ππ (18) = ππ (2) da cui: β 12.13 Occorre quindi aspettare 13 estrazioni. QUESITO 2 Sul diametro MN di un cerchio, si considerino due punti P e Q, e su MP, MQ, NP, NQ come diametri si descrivano quattro semicerchi, i primi due posti in una stessa parte rispetto alla retta MN, gli altri due posti nellβaltra parte. Si dimostri che il perimetro del quadrilatero curvilineo (pelecoide) così ottenuto, ha la stessa lunghezza della circonferenza data. 1/9 Risulta: π+π =π+π =πβ ππ ππ ππ + ππ ππ +πβ =πβ( )=πβ 2 2 2 2 Quindi: ( π + π) + (π + π) = 2 (π β ππ 2 )=π QUESITO 3 Si scriva lβequazione della tangente al diagramma della funzione: π ππ π(π₯) = β« β2 2 π₯ 2 2 ππ‘ ππ‘ |π‘| + 1 nel punto P di ascissa π₯ = π/2. Notiamo intanto che π(π/2) = 0, poiché gli estremi dellβintegrale sono uguali. Calcoliamo ora il coefficiente angolare della tangente, che equivale ad πβ²(π/2). Ricordiamo che: π₯ π(π₯) π(π₯) = β« π(π‘)ππ‘ βΉ π β² (π₯) = π(π₯), π(π₯) = β« π π(π‘)ππ‘ βΉ π β² (π₯) = π(π(π₯)) β πβ²(π₯) π Nel nostro caso: 2 π₯ π π ππ (2) 1 π₯ π β² (π₯) = β [ πππ ( )] π₯ 2 |π ππ 2| + 1 2 = 1 βΉ π π2 β2 βπ β2 πβ² ( ) = β = = 2 4 2(β2 + 2) β2 2 +1 βπ (2 β 2β2) βπ (β2 β 1) = β 0.34 β4 2 Quindi la tangente richiesta ha equazione: π π βπ (β2 β 1) βπ (β2 β 1) π¦β0= β (π₯ β ) βΉ π¦ = β (π₯ β ) 2 2 2 2 2/9 QUESITO 4 Siano dati una sfera di raggio r, il cubo in essa inscritto e il cono circolare retto inscritto nel cubo. Si scelga a caso un punto allβinterno della sfera: si determini la probabilità che tale punto risulti interno al cono. Consideriamo il cubo inscritto nella sfera di raggio r e determiniamo lo spigolo del cubo in funzione di r. La diagonale π del cubo è uguale al diametro 2π della sfera, quindi, detto π lo spigolo del cubo, risulta: π = πβ3 = 2π βΉ π= 2π β3 = 2πβ3 3 Consideriamo ora il cono inscritto nel cubo. Il suo raggio di base è la metà dello spigolo del cubo: ππππππ ππππ = π πβ3 = 2 3 Lβaltezza del cono è uguale allo spigolo del cubo. Calcoliamo i volumi dei tre solidi: 4 2πβ3 π(π ππππ) = 3 ππ 3 , π(ππ’ππ) = π 3 = ( 1 1 πβ3 π(ππππ) = 3 πππ2 β = 3 π ( 3 2 1 ) π = 3π β 3 π2 3 3 8 ) = 9 π 3 β3 , β 2πβ3 3 2 = 27 ππ 3 β3 3/9 La probabilità richiesta è data da: 2 ππ 3 β3 ππππ’ππ πππ£ππππ£πππ π(ππππ) 1 27 π= = = = β3 β 0.096 β 10% 4 3 ππππ’ππ πππ π πππππ π(π ππππ) 18 ππ 3 QUESITO 5 Nellβ omotetia di centro π(0,0) e rapporto π = β4, si determini lβequazione della circonferenza corrispondente alla π₯ 2 + π¦ 2 β 2π₯ + 4π¦ = 0. Si confrontino fra di loro i centri e i raggi delle due circonferenze. Lβomotetia indicata ha equazioni: π = β4π₯ { π = β4π¦ 1 π₯ = β4π { 1 π¦ = β4π βΉ La circonferenza di equazione π₯ 2 + π¦ 2 β 2π₯ + 4π¦ = 0 si trasforma in: 1 2 1 2 1 1 (β 4 π) + (β 4 π) β 2 (β 4 π) + 4 (β 4 π) = 0 βΉ π 2 + π 2 + 8π β 16π = 0 Il centro della circonferenza di partenza è πΆ = (1; β2), quello della circonferenza trasformata è πΆβ² = (β4; 8) , che è il corrispondente di C nellβomotetia data. Analogamente al raggio π = β1 + 4 β 0 = β5 della circonferenza di partenza corrisponde il raggio π β² = β16 + 64 β 0 = 4β5 = |π| β π . QUESITO 6 Dati due punti A e B distanti tra loro 5 cm, si dica qual è il luogo dei punti C dello spazio tali che il triangolo ABC sia rettangolo in A ed abbia area uguale a 1 ππ2 . Risulta πΆπ΄ = 2β1 5 2 ππ = 5 ππ C varia nel piano πΌ passante per A perpendicolare ad AB e dista 2/5 da A: il luogo richiesto è quindi la circonferenza del piano πΌ con centro in A e raggio 2/5. 4/9 QUESITO 7 Si discuta il seguente sistema lineare omogeneo in relazione al parametro reale π e si determinino in ogni caso le eventuali soluzioni: π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 { (π β 1)π₯ + ππ¦ + 4π§ = 0 ππ₯ + 5π¦ + (2π + 1)π§ = 0 Calcoliamo il determinante della matrice dei coefficienti (utilizziamo il teorema di Laplace operando sulla prima riga): 1 2 π· = |π β 1 π π 5 3 4 | = 1 β (2π2 + π β 20) β 2 β (2π2 β π β 1 β 4π) + 3 β (5π β 5 β π2 ) = 2π + 1 = β5π2 + 26π β 33 π· = β5π2 + 26π β 33 = 0 π π π = 3 ππππ’ππ βΆ π = 11 5 11 Quindi, π β 3 π π β 5 il sistema ammette una sola soluzione, che, essendo omogeneo, è la soluzione nulla: x=0, y=0, z=0. 11 Se π = 3 ππππ’ππ π = 5 il sistema è indeterminato o impossibile, ma essendo omogeneo ammette sempre la soluzione nulla, quindi non può essere impossibile. Risolviamo il sistema nei due casi: a) π = 3 Il sistema assume la forma: 5/9 π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 {2π₯ + 3π¦ + 4π§ = 0 3π₯ + 5π¦ + 7π§ = 0 notiamo che la terza equazione è uguale alla somma delle prime due. Il sistema è equivalente a: { π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 ; 2π₯ + 3π¦ + 4π§ = 0 π₯ + 2π¦ = β3π§ { 2π₯ + 3π¦ = β4π§ Poniamo z=k e risolviamo con la regola di Cramer. π·=| 1 2 | = β1 ; 2 3 π₯= π·π₯ π· =π ; b) π = β3π π·π₯ = | β4π π¦= π·π¦ π· = 2π ; 2 1 β3π | = βπ ; π·π¦ = | | = +2π 3 2 β4π π§=π (quando π = 3) 11 5 Il sistema assume la forma: π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 6 11 π₯ + π¦ + 4π§ = 0 βΉ 5 5 11 27 π₯ + 5π¦ + π§=0 {5 5 π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 { (π β 1)π₯ + ππ¦ + 4π§ = 0 ππ₯ + 5π¦ + (2π + 1)π§ = 0 π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 βΉ { 6π₯ + 11π¦ + 20π§ = 0 11π₯ + 25π¦ + 27π§ = 0 Il sistema dato è equivalente, per esempio, al sistema { π₯ + 2π¦ + 3π§ = 0 ; 6π₯ + 11π¦ + 20π§ = 0 π₯ + 2π¦ = β3π§ { 6π₯ + 11π¦ = β20π§ Poniamo z=h e risolviamo con la regola di Cramer. π·=| 1 2 | = β1 ; 6 11 π₯= π·π₯ π· = β7β ; β3β π·π₯ = | β20β π¦= π·π¦ π· = 2β ; 2 1 β3β | = 7β ; π·π¦ = | | = β2β 11 6 β20β π§=β (quando π = 6/9 11 5 ) QUESITO 8 Le lunghezze dei lati di un triangolo sono numeri interi consecutivi e lβangolo di maggior ampiezza è il doppio di quello di ampiezza minore. Si calcolino la lunghezza del lato minore e il coseno dellβangolo minore. Dette c, c+1 e c+2 le misure dei lati del triangolo (con c intero), poiché a lato maggiore si oppone angolo maggiore, lβangolo maggiore è quello in A ed è il doppio dellβangolo minore che è quello in C. Per il teorema dei seni si ha: π π+2 = π ππ2πΎ , quindi: π β π ππ2πΎ = (π + 2) β π πππΎ da cui: π πππΎ π β 2π πππΎπππ πΎ = (π + 2) β π πππΎ π π πππΎ π+1 π+1 = π ππ(πβ3πΎ) = π ππ3πΎ βΉ βΉ 2π β πππ πΎ = π + 2 π β π ππ3πΎ = (π + 1) β π πππΎ Ed essendo π ππ3πΎ = π ππ(πΎ + 2πΎ) = π πππΎπππ 2πΎ + π ππ2πΎπππ πΎ = π πππΎ(πππ 2πΎ + 2 cos2 πΎ) si ha: π β π ππ3πΎ = (π + 1) β π πππΎ βΉ π β π πππΎ(πππ 2πΎ + 2 cos 2 πΎ) = (π + 1) β π πππΎ ossia: π β (πππ 2πΎ + 2 cos2 πΎ) = π + 1 . Abbiamo quindi: 2π β πππ πΎ = π + 2 { ; { (πππ 2πΎ πβ + 2 cos2 πΎ) = π + 1 π+2 ; 2π π β (2 cos 2 πΎ β 1 + 2 cos2 πΎ) = π + 1 πππ πΎ = 7/9 { πππ πΎ = π+2 2π π β (4 cos2 πΎ β 1) = π + 1 π+2 2 ; π β (4 β ( 2π ) β 1) = π + 1 βΉ c 2 β 3π β 4 = 0 , che ha come soluzioni: π = β1 (πππ πππ. ) π π = 4: il lato minore misura quindi 4. Cerchiamo ora il coseno dellβangolo minore: πππ πΎ = π+2 6 3 = = 2π 8 4 QUESITO 9 Si consideri un cerchio di centro O e raggio r e sia A un punto della circonferenza. Sia inoltre OB un raggio mobile che forma lβangolo 2π₯ con OA. Facendo ruotare la figura attorno ad OA, il segmento AB genera la superficie laterale di un cono. Come deve essere scelta in gradi e primi (sessagesimali) lβampiezza π₯ dellβangolo perché questβarea sia massima? Possiamo limitarci a considerare lβangolo 2π₯ compreso tra 0 e π , quindi: 0 β€ π₯ β€ La superficie laterale del cono generato dalla rotazione di AB è data da: π 2 . π = ππ π = π β π΅π» β π΄π΅ = π β (ππ ππ2π₯) β (2ππ πππ₯) = 2ππ 2 β π πππ₯ β π ππ2π₯ π S è massima se lo è π¦ = π(π₯) = π πππ₯ β π ππ2π₯ πππ 0 β€ π₯ β€ 2 . Tale funzione è continua (e anche derivabile) in un intervallo chiuso e limitato, quindi, per il teorema di Weierstrass, ammette massimo e minimo assoluti. Tali valori sono da ricercare agli estremi dellβintervallo o nei punti che annullano la derivata prima. π π(0) = π ( ) = 0 2 π β² (π₯) = πππ π₯ π ππ2π₯ + 2π πππ₯ πππ 2π₯ = 2π πππ₯(cos2 π₯ + πππ 2π₯) = 2π πππ₯(3 cos2 π₯ β 1) 8/9 Risulta π β² (π₯) = 0 se: π πππ₯ = 0 nostro intervallo, equivale a πππ π₯ = oppure 3 cos 2 π₯ β 1 = 0 , che , nel βΉ π₯=0 β3 3 1 2 ; in questo caso si ha: π πππ₯ = β1 β 3 = β3 = β6 3 . Per tale valore di x si ha: π(π₯) = π πππ₯ β π ππ2π₯ = 2π ππ2 π₯πππ π₯ = 2 β 2 β3 4 β = β3 3 3 9 La superficie è quindi massima quando π πππ₯ = β6 3 , con 0 β€ π₯ β€ π 2 . β6 Lβangolo x è dato da: ππππ ππ ( 3 ) β 54.736° β 54°44β² QUESITO 10 Un turista, che osserva un lago scozzese dalla cima di un fiordo alto 100 metri, vede spuntare la testa di un mostro acquatico in un punto per il quale misura un angolo di depressione di 18,45°. Il mostro, che nuota in linea retta allontanandosi dallβosservatore, si immerge, per riemergere cinque minuti più tardi in un punto per cui lβangolo di depressione vale 14,05°. Con che velocità, in metri allβora, sta nuotando il mostro? Osserviamo che il primo angolo di depressione LCO è uguale allβangolo CED, mentre il secondo, LCF, è uguale allβangolo CFD. Dobbiamo trovare lo spazio EF. Ma risulta: πΈπΉ = π·πΉ β π·πΈ = πΆπ· β πππ‘π(14.05°) β πΆπ· β πππ‘π(18.45°) = = 100[πππ‘π(14.05°) β πππ‘π(18.45°)] π β 99.85 π Quindi la velocità del drago in metri allβora è: πΈπΉ π£(πππππ) = 5 πππ = 99.85 π 5 β 60 π = 499.25 β β 500 π/β Con la collaborazione di Angela Santamaria, Simona Scoleri e Stefano Scoleri 9/9