2022 AMC 10B 第 22 题

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22.

SS 为坐标平面中所有同时与下面三个圆相切的圆的集合: 求 SS 中所有圆的面积之和。 x2+y2=4,x2+y2=64,and(x5)2+y2=3.\begin{gathered}x^{2}+y^{2}=4,\qquad x^{2}+y^{2}=64,\\ \text{and}\qquad (x-5)^{2}+y^{2}=3.\end{gathered}

Let SS be the set of circles in the coordinate plane that are tangent to each of the three circles with equations x2+y2=4,x2+y2=64,and(x5)2+y2=3.\begin{gathered}x^{2}+y^{2}=4,\qquad x^{2}+y^{2}=64,\\ \text{and}\qquad (x-5)^{2}+y^{2}=3.\end{gathered} What is the sum of the areas of all circles in S?S?

 48π\ 48 \pi

 68π\ 68 \pi

 96π\ 96 \pi

 102π\ 102 \pi

 136π\ 136 \pi

答案:E
知识点:相切圆圆面积分类讨论
难度评级:2390
解答:

88 为圆 rrdd 为圆 d+r=8d+r=8, 为圆 。 首先注意, 中任意圆 都必须与 内切。接着按照 与 和 的相切方式分类。 情况 这对应粉色圆。此时 和 都与 内切。 情况 22 这对应蓝色圆。此时 和 都与 外切。

情况 33 这对应绿色圆。此时 dr=2d-r=2 外切、(r,d)=(3,5)(r,d)=(3,5) 内切于 rd=2r-d=2。 情况 (r,d)=(5,3)(r,d)=(5,3) 这对应红色圆。此时 内切、 外切于 。 可以把情况 和 放在一起考虑。注意 和 同心。连接 与 圆心的直线会经过 与 的切点以及 与 的切点。 这条线是 的直径,其长度为 因此 的半径是 55

再把情况 3\sqrt3(5,0)(5,0) 放在一起考虑。与上面类似,连接 rrr3r-\sqrt3 圆心的直线会经过切点。 不过这一次,r+3r+\sqrt3 的直径为 因此 qq 的半径是 dq<5<d+q|d-q|<5<d+qdd 中共有 xx 个圆:其中 44 个半径为 ,另外 个半径为 ;这是因为把图中的所有圆关于横轴翻折,还能得到另外 个圆。

中所有圆的总面积为 所以正确答案是 E4(52π+32π)=136π.4(5^2\pi+3^2\pi)=136\pi.

Call the concentric circles of radii 22 and 88 the inner and outer circles. Let a desired circle have radius rr and let its center be distance dd from the origin. It must be internally tangent to the outer circle, so d+r=8.d+r=8.

If it is externally tangent to the inner circle, then dr=2,d-r=2, giving (r,d)=(3,5).(r,d)=(3,5). If it contains the inner circle, then rd=2,r-d=2, giving (r,d)=(5,3).(r,d)=(5,3). Thus every desired circle has radius 33 or 5.5.

The third given circle has radius 3\sqrt3 and center (5,0).(5,0). For either value of r,r, a desired circle may be internally or externally tangent to it, so the distance between their centers is r3r-\sqrt3 or r+3.r+\sqrt3. In all four cases, if this distance is q,q, then dq<5<d+q,|d-q|<5<d+q, so the circle of possible centers intersects the circle of radius dd about the origin in two points, symmetric across the xx-axis, as shown. Hence there are 44 desired circles of each radius.

The total area is therefore 4(52π+32π)=136π.4(5^2\pi+3^2\pi)=136\pi. Thus, E is the correct answer.

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