87 指考數學甲 第 11 題
📅 87 年 📝 指考數學甲 第 11 題 題型:選填 課綱:99課綱
如圖,圓 $x^2 + y^2 = 16$ 內含一橢圓 $\dfrac{x^2}{16} + \dfrac{y^2}{9} = 1$。設圓內部在兩直線 $x=1$,$x=2$ 之間的面積為 $C$,而橢圓內部在此兩直線之間的面積為 $E$,則 $\dfrac{C}{E}$ 等於 $\text{____}$。
圓與橢圓面積分割示意圖
圓與橢圓面積分割示意圖
橢圓與圓面積定積分微積分微積分
解題手法數形結合〔AI 推測〕
答案

$\dfrac{4}{3}$

選填題,有附圖

詳解
**解法一(微積分定義):** 圓方程式 $x^2 + y^2 = 16 \Rightarrow y = \pm \sqrt{16-x^2}$。 橢圓方程式 $\dfrac{x^2}{16} + \dfrac{y^2}{9} = 1 \Rightarrow y = \pm 3\sqrt{1-\dfrac{x^2}{16}} = \pm \dfrac{3}{4}\sqrt{16-x^2}$。 在 $x=1$ 到 $x=2$ 之間,圓內部的面積為: $$C = 2\int_{1}^{2} \sqrt{16-x^2}\,dx$$ 橢圓內部的面積為: $$E = 2\int_{1}^{2} \dfrac{3}{4}\sqrt{16-x^2}\,dx = \dfrac{3}{4} \left(2\int_{1}^{2} \sqrt{16-x^2}\,dx\right) = \dfrac{3}{4}C$$ 因此: $$\dfrac{C}{E} = \dfrac{C}{\frac{3}{4}C} = \dfrac{4}{3}$$ **解法二(伸縮變換):** 橢圓可以看作是圓 $x^2 + y^2 = 16$ 沿著 $y$ 軸方向收縮 $\dfrac{3}{4}$ 倍所得到的圖形。 由卡瓦列里原理(Cavalieri's principle)或積分比例性質: 對於任意給定的 $x$ 值,橢圓上的縱坐標高度均為圓上縱坐標高度的 $\dfrac{3}{4}$ 倍。 所以在相同的 $x$ 區間 $[1, 2]$ 內,橢圓的面積 $E$ 與圓的面積 $C$ 之比值為: $$\dfrac{E}{C} = \dfrac{3}{4} \Rightarrow \dfrac{C}{E} = \dfrac{4}{3}$$ 答案為 $\dfrac{4}{3}$。 **解法三(面積元素比例):** 固定任一 $x\in[1,2]$。圓 $x^2+y^2=16$ 在此處的上下高度差為 $$2\sqrt{16-x^2}.$$ 橢圓 $\dfrac{x^2}{16}+\dfrac{y^2}{9}=1$ 在同一個 $x$ 處的上下高度差為 $$2\cdot 3\sqrt{1-\dfrac{x^2}{16}}=\dfrac{3}{2}\sqrt{16-x^2}=\dfrac{3}{4}\cdot 2\sqrt{16-x^2}.$$ 所以每一條垂直小長條的高度都為圓中對應小長條的 $\dfrac{3}{4}$ 倍,面積也成同樣比例: $$E=\dfrac{3}{4}C.$$ 故 $$\dfrac{C}{E}=\dfrac{4}{3}.$$

題目來源:民國87年大學聯考數學科試題(自然組) 第11題(來源PDF第11頁)

資料版本:2026-07-04(commit 790505b5)

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