三、解答题

19.(本小题满分12分)

如图4,某地为了开发旅游资源,欲修建一条连接风景点和居民区的公路,

点所在的山坡面与山脚所在水平面所成的二面角为(),且,

点到平面的距离(km).沿山脚原有一段笔直的公路可供利用.

从点到山脚修路的造价为万元/km,原有公路改建费用为万元/km.当山坡上

公路长度为km()时,其造价为万元.已知,,

,.

(I)在上求一点,使沿折线修建公路的总造价最小;

(II) 对于(I)中得到的点,在上求一点,使沿折线修建公路的

总造价最小.

(III)在上是否存在两个不同的点,,使沿折线修建公路的总造

价小于(II)中得到的最小总造价,证明你的结论.

解:(I)如图,,,,

由三垂线定理逆定理知,,所以是

山坡与所成二面角的平面角,则,

.

设,.则

.

记总造价为万元,

据题设有

当,即时,总造价最小.

(II)设,,总造价为万元,根据题设有

.

则,由,得.

当时,,在内是减函数;

当时,,在内是增函数.

故当,即(km)时总造价最小,且最小总造价为万元.

(III)解法一:不存在这样的点,.

事实上,在上任取不同的两点,.为使总造价最小,显然不能位

于 与之间.故可设位于与之间,且=,,

,总造价为万元,则.

类似于(I)、(II)讨论知,,,当且仅当,

同时成立时,上述两个不等式等号同时成立,此时,,

取得最小值,点分别与点重合,所以不存在这样的点 ,

使沿折线修建公路的总造价小于(II)中得到的最小总造价.

解法二:同解法一得

.

当且仅当且,即同时成立时,

取得最小值,以上同解法一.

 

 

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