3.5: Супутні тарифи
- Якщо дві пов'язані величини, такі як радіус і об'єм сферичної кулі, змінюються як неявні функції часу, як пов'язані їх швидкості зміни? Тобто, як взаємозв'язок між значеннями величин впливає на взаємозв'язок між їх відповідними похідними щодо часу?
У більшості наших застосувань похідної до цих пір нас цікавила миттєва швидкість, з якою одна змінна, скажімоy, змінюється щодо іншої, скажімоx, приводячи нас до обчислення та інтерпретаціїdydx. Далі ми розглянемо ситуації, коли кілька змінних величин пов'язані, але де кожна величина неявно є функцією часу, яка буде представлена змінноюt. Знаючи, як пов'язані величини, ми будемо зацікавлені у визначенні того, як пов'язані їхні відповідні темпи зміни щодо часу.
Наприклад, припустимо, що повітря закачується в сферичний балон так, що його обсяг збільшується з постійною швидкістю 20 кубічних дюймів в секунду. Оскільки об'єм та радіус повітряної кулі пов'язані між собою, знаючи, наскільки швидко змінюється гучність, ми повинні бути в змозі виявити, наскільки швидко змінюється радіус. Нас цікавлять такі питання, як: чи можемо ми визначити, наскільки швидко збільшується радіус повітряної кулі в той момент, коли діаметр повітряної кулі становить 12 дюймів?
Сферична куля надувається з постійною швидкістю 20 кубічних дюймів в секунду. Як швидко радіус кулі змінюється в той момент, коли діаметр повітряної кулі становить 12 дюймів? Чи змінюється радіус швидше, колиd=12 чи колиd=16? Чому?
- Намалюйте кілька сфер з різними радіусами і спостерігайте, що при зміні об'єму радіус, діаметр та площа поверхні повітряної кулі також змінюються.
- Нагадаємо, що обсяг сфери радіусаr є добреV=43πr3. зауважте, що в постановці цієї задачі обидваV іr змінюються в міруt зміни часу, і, таким чином, обидваV іr можуть розглядатися як неявні функціїt, з відповідних похіднихdVdt іdrdt. Диференціювати обидві сторони рівнянняV=43πr3 по відношенню доt (використовуючи правило ланцюга праворуч), щоб знайти формулу дляdVdt цього залежить від обохr іdrdt.
- На даний момент проблеми, диференціюючи, ми «пов'язані швидкості» зміниV іr. Нагадаємо, що нам дано в проблемі, що повітряна куля надувається з постійною швидкістю 20 кубічних дюймів в секунду. Чи є ця ставка значеннямdrdt абоdVdt? чому?
- З частини (c) ми знаємо значенняdVdt при кожному значенніt. Next, зауважте, що коли діаметр кулі дорівнює 12, ми знаємо значення радіуса. У рівнянніdVdt=4πr2drdt, підставляємо ці значення відповідними величинами і вирішуємо для залишилася невідомої величини, яка єdrdt. Наскільки швидко змінюється радіус в даний моментd=12?
- Чим відрізняється ситуація,d=16? коли радіус змінюється швидше, колиd=12 або колиd=16?
3.5.1 Проблеми з ставками
У проблемах, де дві або більше величини можуть бути пов'язані один з одним, і всі змінні, що беруть участь, є неявно функціями часу,t, ми часто зацікавлені в тому, як їх ставки пов'язані між собою; ми називаємо ці пов'язані проблеми ставок. Після того, як у нас є рівняння, що встановлює зв'язок між змінними, ми неявно диференціюємо щодо часу, щоб знайти зв'язки між темпами змін.
Пісок скидається конвеєрною стрічкою на купу так, щоб пісок утворював правильний круглий конус, як показано на малюнку 3.5.2. Як миттєві темпи зміни обсягу, висоти та радіуса піску пов'язані один з одним?
- Відповідь
-
У міру падіння піску з конвеєрної стрічки зміниться кілька особливостей піщаної палі: обсяг палі буде рости, висота збільшиться, і радіус теж стане більше. Всі ці величини пов'язані один з одним, і швидкість, з якою змінюється кожна, пов'язана зі швидкістю, з якою пісок падає з конвеєра.
Почнемо з визначення, які змінні змінюються і як вони пов'язані. У цій задачі ми спостерігаємо, що радіус і висота палі пов'язані з її об'ємом стандартним рівнянням для обсягу конуса,
V=13πr2h.
Розглядаючи кожну з функційV,r, іh якt, ми неявно диференціюємо, щоб прийти до рівняння, яке пов'язує їх відповідні темпи змін. Беручи похідну кожної сторони рівняння по відношенню до,t, знаходимо
ddt[V]=ddt[13πr2h].Ліворуч,ddt[V] простоdVdt. Праворуч, ситуація складніша, оскільки обидваr іh є неявними функціямиt. Звідси нам потрібні правила продукту та ланцюга. Ми знаходимо, що
\ begin {align*}\ розрив {dV} {dt} &=\ розрив {d} {dt} {dt}\ лівий [\ frac {1} {3}\ пі r^2 h\ праворуч]\\ [4pt] &=\ frac {1} {3}\ пі r^2\ frac {d} {dt} [h] +\ frac {1} {3}\ pi r^2\ frac {d} {dt} [h] +\ frac {1} {3}\ пі h\ розрив {d} {dt} [r^2]\\ [4pt] &=\ розрив {1} {3}\ пі r^2\ frac {dh} {dt} +\ frac {1} {3}\ пі h 2r\ frac {dt} {dt}\ кінець {вирівня*}(Зверніть увагу, зокрема, як ми використовуємо ідеї з розділу 2.7 про неявну диференціацію. Там ми виявили, що колиy є неявною функцієюx,ddx[y2]=2ydydx. Те ж принципи застосовуються тут, коли ми обчислюємоddt[r2]=2rdrdt.)
рівняння
dVdt=13πr2dhdt+23πrhdrdt,пов'язуєV,h, темпи зміни таr.
Якщо нам буде надана достатня додаткова інформація, ми можемо знайти значення однієї або декількох з цих темпів змін у певний момент часу.
У налаштуванні Прикладу 3.5.1, припустимо, ми також знаємо наступне: (а) пісок падає з конвеєра таким чином, що висота палі завжди дорівнює половині радіуса, а (б) пісок падає з конвеєрної стрічки з постійною швидкістю 10 кубічних футів в хвилину. Як швидко змінюється висота піщаної палі на даний момент радіус 4 фути?
- Відповідь
-
Інформація про те, що висота завжди дорівнює половині радіуса, говорить нам, що для всіх значеньt,h=12r. Диференціювання щодоt, нього слід, щоdhdt=12drdt. Ці відносини дозволяють нам ставитися лишеdVdt до одного зr абоh. Підставляючи вирази за участюr іdrdt для,h іdhdt, ми тепер маємо, що
dVdt=13πr2⋅12drdt+23πr⋅12r⋅drdt.Оскільки пісок падає з конвеєра з постійною швидкістю 10 кубічних футів в хвилину, то величина швидкості, з якою змінюється обсяг піщаної палі, становитьdVdt=103 фут/хв.dVdt, Нас цікавить, як швидко змінюється висота палі в той момент, колиr=4, так ми підставляємоr=4 іdVdt=10 в Рівняння (3.5.1), щоб знайти
10=13π42⋅12drdt|r=4+23π4⋅124⋅drdt|r=4=83πdrdt|r=4+163πdrdt|r=4.Тільки значенняdrdt|r=4 залишається невідомим. Ми об'єднуємо подібні терміни в правій частині рівняння вище, щоб отримати10=8πdrdt|r=4, іdrdt|r=4 вирішити для пошуку
drdt|r=4=108π≈0.39789футів в секунду. Тому що нас цікавило, як швидко змінювалася висота палі в цей момент, ми хочемо знати,dhdt колиr=4. так якdhdt=12drdt для всіх значеньt, цього слід
dhdt|r=4=58π≈0.19894 ft/min.
Зверніть увагу на різницю між позначеннямиdrdt іdrdt|r=4. Перша являє собою швидкість зміниr по відношенню доt при довільному значенні вt, той час як остання швидкість зміниr відносно в конкретнийt момент, момент, коли r=4.
Якби ми знали, щоh=12r на початку Прикладу 3.5.1, ми могли б негайно спростити нашу роботу, написавшиV виключно зr точки зору
З цього останнього рівняння, диференціювання щодоt передбачає
з якого можна зробити ті ж висновки.
Наша робота з проблемою піщаної палі вище багато в чому схожа на наш підхід в Preview Activity 3.5.1, і ці кроки характерні для більшості пов'язаних проблем зі ставками. Певним чином вони також нагадують роботу, яку ми виконуємо в прикладних задачах оптимізації, і тут ми узагальнюємо основний підхід до розгляду в наступних задачах.
- Визначте величини в задачі, які змінюються, і виберіть для них чітко визначені імена змінних. Намалюйте одну або кілька фігур, які чітко представляють ситуацію.
- Визначте всі темпи змін, які відомі або дані, і визначити швидкість (и) зміни, які потрібно знайти.
- Знайдіть рівняння, яке пов'язує змінні, швидкість зміни яких відомі з тими змінними, швидкості зміни яких слід знайти.
- Диференціювати неявно щодоt співвідносити темпи зміни задіяних величин.
- Оцініть похідні та змінні за інформацією, що стосується того моменту, коли шукається певна швидкість зміни. Використовуйте належні позначення, щоб визначити, коли похідна оцінюється в певний момент, наприкладdrdt|r=4.
При виявленні змінних і малюванні малюнка важливо подумати про динамічні способи, за допомогою яких змінюються величини. Іноді послідовність зображень може бути корисною; для деяких зображень, які можна легко змінити як аплети, побудовані в Geogebra, див. наступні посилання, 1 які представляють
- як зростає площа кругового масляного пляма зі збільшенням її радіуса http://gvsu.edu/s/9n;
- як змінюється розташування підстави сходів і її висота уздовж стіни в міру ковзання сходів http://gvsu.edu/s/9o;
- як змінюється рівень води в конічному резервуарі при наповненні водою з постійною швидкістю http://gvsu.edu/s/9p (порівняйте задачу в Діяльності 3.5.2);
- як змінюється тінь скейтбордиста, коли він рухається повз ліхтарного стовпа http://gvsu.edu/s/9q.
Малювання добре позначені діаграми та уявлення про те, як змінюються різні частини фігури, є ключовою частиною розуміння пов'язаних проблем ставок та успішного їх вирішення.
Резервуар для води має форму перевернутого кругового конуса (точка вниз) з основою радіусом 6 футів і глибиною 8 футів. Припустимо, що вода закачується в бак з постійною миттєвою швидкістю 4 кубічних футів в хвилину.
- Намалюйте малюнок конічного бака, включаючи ескіз рівня води в той момент часу, коли бак ще не заповнений. Введіть змінні, які вимірюють радіус поверхні води та глибину води в резервуарі, і позначте їх на вашій фігурі.
- Скажіть, щоr це радіус іh глибина води в даний момент часу,t. Яке рівняння пов'язує радіус і висоту води, і чому?
- Визначте рівняння, яке пов'язує обсяг води в резервуаріt в той часh з глибиною залягання води в той час.
- За допомогою диференціації знайти рівняння, яке пов'язує миттєву швидкість зміни об'єму води по відношенню до часу з миттєвою швидкістю зміни глибини води в часіt.
- Знайдіть миттєву швидкість, з якою рівень води піднімається, коли вода в резервуарі глибиною 3 фути.
- Коли вода піднімається найбільш швидко: приh=3,h=4, абоh=5?
Визнання того, які геометричні зв'язки є актуальними в даній задачі, часто є ключем до пошуку функції для оптимізації. Наприклад, хоча проблема в Activity 3.5.2 стосується конічного резервуара, найважливішим фактом є те, що є два аналогічних правильних трикутника. В іншому випадку ми могли б використовувати теорему Піфагора, щоб зв'язати ноги трикутника. Але в конічному резервуарі важливим співвідношенням виявляється те, що вода заповнює бак так, що відношення радіуса до глибини постійне. В інших ситуаціях, коли задіяний мінливий кут, тригонометричні функції можуть забезпечити засоби для пошуку взаємозв'язків між різними частинами трикутника.
Телевізійна камера розташована на відстані 4000 футів від підстави ракетного майданчика. Кут піднесення камери повинен змінюватися з правильною швидкістю, щоб тримати ракету в поле зору. Крім того, автофокус камери повинен враховувати зростаючу відстань між камерою та ракетою. Припускаємо, що ракета піднімається вертикально. (Подібна проблема обговорюється і зображується динамічно на http://gvsu.edu/s/9t. Вивчення аплету за посиланням буде корисним для вас у відповіді на наступні запитання.)
- Намалюйте фігуру, яка підсумовує дану ситуацію. Які частини картинки змінюються? Які частини постійні? Ввести відповідні змінні для представлення величин, які змінюються.
- Знайдіть рівняння, яке пов'язує кут піднесення камери з висотою ракети, а потім знайдіть рівняння, яке пов'язує миттєву швидкість зміни кута підйому камери з миттєвою швидкістю зміни висоти ракети (де всі темпи зміни припадають на час).
- Знайти рівняння, яке пов'язує відстань від камери до ракети з висотою ракети, а також рівняння, яке пов'язує миттєву швидкість зміни відстані від камери до ракети з миттєвою швидкістю зміни висоти ракети (де всі темпи зміни припадають на час).
- Припустимо, що швидкість ракети становить 600 футів/сек в той момент, коли вона піднялася на 3000 футів. Як швидко змінюється відстань від телевізійної камери до ракети в цей момент? Якщо камера стежить за ракетою, наскільки швидко змінюється кут висоти камери в той самий момент?
- Якщо з висоти 3000 футів вперед ракета продовжує підніматися на 600 футів/сек, чи буде швидкість зміни відстані щодо часу більшою, коли висота 4000 футів, ніж на 3000 футів, або менше? Чому?
Окрім пошуку миттєвих темпів змін у певні моменти часу, ми часто можемо робити більш загальні спостереження щодо того, як конкретні ставки самі змінюватимуться з часом. Наприклад, коли конічний резервуар наповнюється водою з постійною швидкістю, здається очевидним, що глибина води з часом повинна збільшуватися повільніше. Зверніть увагу, як ретельно ми повинні формулювати відносини: ми маємо на увазі сказати,h, що в той час як глибина, води збільшується, її швидкість зміниdhdt, зменшується (як функція, такt і як функціяh). Ми робимо це спостереження, вирішуючи рівняння, яке пов'язує різні ставки для однієї конкретної ставки, не підставляючи будь-які конкретні значення для відомих змінних або ставок. Наприклад, у задачі конічного резервуара в Діяльність 3.5.2 ми встановили, що
і, отже,
За умови, щоdVdt це постійне, відразу видно, що, якh стає більше,dhdt буде менше, але залишиться позитивним. Значить, глибина залягання води збільшується зі зменшенням швидкості.
Як на фото в аплеті http://gvsu.edu/s/9q, скейтбордист, який 6 футів у висоту їде під 15 футів високий ліхтарний стовп з постійною швидкістю 3 футів в секунду. Нам цікаво зрозуміти, як швидко змінюється його тінь в різні моменти часу.
- Намалюйте відповідний прямокутний трикутник, який представляє знімок у часі скейтбордиста, ліхтарного стовпа і його тіні. Нехайx позначимо горизонтальну відстань від основи ліхтарного стовпа до скейтбордиста іs представляємо довжину його тіні. Позначте ці величини, а також висоту скейтбордиста і висоту ліхтарного стовпа на схемі.
- Зверніть увагу, що скейтбордист і ліхтарний стовп представляють на схемі паралельні відрізки лінії, і, таким чином, присутні схожі трикутники. Використовуйте подібні трикутники, щоб встановити рівняння, яке пов'язуєx іs.
- Використовуйте свою роботу в (b), щоб знайти рівняння, яке пов'язуєdxdt іdsdt.
- З якою швидкістю довжина тіні скейтбордиста збільшується в той момент, коли скейтбордист знаходиться в 8 футах від ліхтарного стовпа?
- Зі збільшенням відстані скейтбордиста від ліхтарного стовпа довжина його тіні збільшується зі зростаючою швидкістю, збільшуючись зі зменшенням, або збільшуючись з постійною швидкістю?
- Що рухається швидше: скейтбордист або кінчик його тіні? Поясніть, і виправдайте свою відповідь.
У перших трьох заходах цього розділу ми надали інструкцію з побудови рішення поетапно. Для завершальної діяльності і наступних вправ велика частина докладної роботи залишається читачеві.
Бейсбольний діамант90′ квадратний. Тісто потрапляє в м'яч уздовж третьої базової лінії і біжить до першої бази. З якою швидкістю змінюється відстань між м'ячем і першою базою, коли м'яч знаходиться на півдорозі до третьої бази, якщо в цей момент м'яч рухається100 фути/сек? З якою швидкістю змінюється відстань між м'ячем і бігуном в ту ж мить, якщо в ту ж мить бігун проходить1/8 шлях до першої бази, що біжить зі швидкістю30 футів/сек?
3.5.2 Резюме
- Коли дві або більше пов'язаних величин змінюються як неявні функції часу, їх темпи зміни можуть бути пов'язані шляхом неявної диференціації рівняння, яке пов'язує самі величини. Наприклад, якщо сторони прямокутного трикутника змінюються як функції часу, скажімо, що мають довжини,x,y, аz, потім ці величини пов'язані теоремою Піфагора:x2+y2=z2. Це випливає, неявно диференціюючи щодоt того, що їх швидкості є пов'язані рівнянням
2xdxdt+2ydydt=2zdzdt,
так що якщо ми знаємо значенняx,y, іz в конкретний час, а також дві з трьох ставок, ми можемо вивести значення третьої.