Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.1: Супутні тарифи

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Цілі навчання
  • Експрес змінюються величини в терміні похідних.
  • Знайдіть зв'язки між похідними в даній задачі.
  • Використовуйте правило ланцюга, щоб знайти швидкість зміни однієї величини, яка залежить від швидкості зміни інших величин.

Ми бачили, що для величин, які змінюються з часом, темпи, з якими ці величини змінюються, задаються похідними. Якщо дві пов'язані величини змінюються з плином часу, ставки, з якими змінюються величини, пов'язані. Наприклад, якщо балон наповнюється повітрям, збільшується і радіус балона, і обсяг балона. У цьому розділі ми розглянемо кілька проблем, в яких змінюються дві або більше пов'язаних величин і вивчимо, як визначити залежність між темпами зміни цих величин.

Налаштування проблем, пов'язаних з тарифами

У багатьох реальних додатках пов'язані величини змінюються щодо часу. Наприклад, якщо знову розглянути приклад повітряної кулі, то можна сказати, що швидкість зміни обсягуV, пов'язана зі швидкістю зміни радіуса,r. У цьому випадку ми говоримо, щоdVdt іdrdt пов'язані ставки, тому щоV це пов'язано зr. Тут ми вивчаємо кілька прикладів пов'язаних величин, які змінюються щодо часу, і ми розглянемо, як розрахувати одну швидкість зміни, враховуючи іншу швидкість зміни.

Приклад4.1.1: Inflating a Balloon

Сферичний балон наповнюється повітрям з постійною швидкістю2cm3/sec (рис.4.1.1). Як швидко збільшується радіус, коли радіус дорівнює3 см?

Три повітряні кулі показані в Часи 1, 2 і 3. Ці кульки збільшуються в об'ємі і радіусі зі збільшенням часу.
Малюнок4.1.1: Коли повітряна куля наповнюється повітрям, і радіус, і об'єм збільшуються по відношенню до часу.

Рішення

Обсяг сфери радіусомr сантиметрів дорівнює

V=43πr3cm3.

Оскільки балон наповнюється повітрям, і обсяг, і радіус є функціями часу. Тому черезt секунди після початку заповнення повітряної кулі об'єм повітря в балоні становить

V(t)=43π[r(t)]3cm3.

Диференціюючи обидві сторони цього рівняння по відношенню до часу і застосовуючи правило ланцюга, ми бачимо, що швидкість зміни обсягу пов'язана зі швидкістю зміни радіуса рівнянням

V(t)=4π[r(t)]2r(t).

Балон наповнюється повітрям з постійною швидкістю2cm3/sec, такV(t)=2cm3/sec. Тому,

2cm3/sec=(4π[r(t)]2cm2)(r(t)cm/s),

що має на увазі

r(t)=12π[r(t)]2cm/sec.

Коли радіусr=3 см,

r(t)=118πcm/sec.

Вправа4.1.1

Яка миттєва швидкість зміни радіуса приr=6 см?

Підказка

drdt=12πr2

Відповідь

172πсм/сек, або приблизно 0,0044 см/сек

Перш ніж розглядати інші приклади, давайте окреслимо стратегію вирішення проблем, яку ми будемо використовувати для вирішення проблем, пов'язаних зі ставками.

Стратегія вирішення проблем: вирішення проблеми пов'язаних ставок
  1. Призначте символи всім змінним, що беруть участь у проблемі. Намалюйте фігуру, якщо це можливо.
  2. Держава, з точки зору змінних, інформація, яка дається, і швидкість, яка повинна бути визначена.
  3. Знайдіть рівняння, що стосується змінних, представлених на кроці 1.
  4. Використовуючи правило ланцюга, диференціюйте обидві сторони рівняння, знайденого на кроці 3, щодо незалежної змінної. Це нове рівняння буде співвідносити похідні.
  5. Підставити всі відомі значення в рівняння з кроку 4, потім вирішити для невідомої швидкості зміни

Зауважте, що при вирішенні проблеми пов'язаних ставок дуже важливо не підставляти відомі значення занадто рано. Наприклад, якщо значення змінної кількості підставляється в рівняння до того, як обидві сторони рівняння будуть диференційовані, то ця величина буде вести себе як постійна, і її похідна не з'явиться в новому рівнянні, знайденому на кроці 4. Ми розглядаємо цю потенційну помилку в наступному прикладі.

Приклади процесу

Давайте тепер реалізуємо щойно описану стратегію для вирішення декількох проблем, пов'язаних зі ставками. Перший приклад передбачає літак, що летить над головою. Взаємозв'язок, яку ми вивчаємо, полягає між швидкістю літака і швидкістю, з якою змінюється відстань між площиною і людиною на землі.

Приклад4.1.2: An Airplane Flying at a Constant Elevation

Літак летить над головою на постійній висоті4000 футів. Людина розглядає літак з позиції3000 футів від основи радіовежі. Літак летить горизонтально від людини. Якщо літак летить зі швидкістю600 ft/sec, з якою швидкістю відстань між людиною і літаком збільшується, коли літак проходить над радіовежею?

Рішення

Крок 1. Намалюйте малюнок, вводячи змінні для представлення різних величин, що беруть участь.

Прямокутний трикутник робиться з людиною на землі, літаком в повітрі і радіовежею під прямим кутом на землі. Гіпотенуза - s, відстань на землі між людиною і радіовежею дорівнює x, а сторона, протилежна людині (тобто висота від землі до літака) - 4000 футів.
Малюнок4.1.2: Літак летить на постійній висоті4000 футів. Відстань між людиною і літаком і людиною і місце на землі безпосередньо під літаком змінюються. Позначимо ці величини зі зміннимиs іx, відповідно.

Як показано,x позначає відстань між людиною і положення на землі безпосередньо під літаком. Зміннаs позначає відстань між людиною і площиною. Зверніть увагу, що обидваx іs є функціями часу. Ми не вводимо змінну для висоти площини, оскільки вона залишається на постійній висоті4000 футів. Оскільки висота об'єкта над землею вимірюється як найкоротша відстань між об'єктом та землею, відрізок лінії довжиною 4000 футів перпендикулярний відрізку лініїx футів довжини, створюючи прямокутний трикутник.

Крок 2. Так якx позначає горизонтальну відстань між людиною і точкою на землі під площиною,dx/dt являє собою швидкість площини. Нам кажуть, що швидкість літака становить600 ft/sec. Томуdxdt=600 фут/сек. Оскільки нас просять знайти швидкість зміни відстані між людиною та літаком, коли літак знаходиться безпосередньо над радіовежею, нам потрібно знайти,ds/dt колиx=3000 фут.

Крок 3. З малюнка ми можемо використовувати теорему Піфагора, щоб написати рівняння, що стосуєтьсяx іs:

[x(t)]2+40002=[s(t)]2.

Крок 4. Диференціюючи це рівняння по відношенню до часу і використовуючи той факт, що похідна константи дорівнює нулю, приходимо до рівняння

xdxdt=sdsdt.

Крок 5. Знайдіть швидкість, з якою відстань між людиною і літаком збільшується, коли літак знаходиться безпосередньо над радіовежею. Тобто знайти,dsdt колиx=3000 фут. Так як швидкість літака600 ft/sec, ми знаємо, щоdxdt=600 ft/sec. Нам не дається явне значення дляs; однак, оскільки ми намагаємося знайти,dsdt колиx=3000 ft, ми можемо використовувати теорему Піфагора, щоб визначити відстань,s колиx=3000 ft, а висота -4000 ft. Розв'язування рівняння

30002+40002=s2

боs, у нас єs=5000 фут на момент зацікавленості. Використовуючи ці значення, робимо висновок, щоds/dt

є розв'язком рівняння

(3000)(600)=(5000)dsdt.

Тому,

dsdt=30006005000=360ft/sec.

Примітка: При вирішенні проблем із спорідненими ставками важливо не підставляти значення змінних занадто рано. Наприклад, на кроці 3 ми пов'язували змінні величиниx(t) таs(t) рівнянням

[x(t)]2+40002=[s(t)]2.

Оскільки площина залишається на постійній висоті, не потрібно вводити змінну для висоти, і нам дозволяється використовувати константу 4000 для позначення цієї величини. Однак інші дві величини змінюються. Якби ми помилковоx(t)=3000 підставили рівняння перед диференціюванням, наше рівняння було б

30002+40002=[s(t)]2.

Після диференціації наше рівняння стане

0=s(t)dsdt.

В результаті ми б неправильно зробили висновок, щоdsdt=0.

Вправа4.1.2

Яка швидкість літака, якщо відстань між людиною і літаком збільшується зі швидкістю300 ft/sec?

Підказка

dsdt=300фут/сек

Відповідь

500фут/сек

Тепер повернемося до проблеми, пов'язаної з запуском ракети з початку глави.

Приклад4.1.3: Chapter Opener - A Rocket Launch

Запускається ракета так, щоб вона піднімалася вертикально. Камера розташована на відстані5000 футів від стартового майданчика. Коли ракета знаходиться1000 над стартовим майданчиком, її швидкість становить600 ft/sec.

Фото ракети, що піднімається.
Малюнок4.1.3: (кредит: модифікація роботи Стіва Джурветсона, Wikimedia Commons)

Знайдіть необхідну швидкість зміни кута камери в залежності від часу, щоб вона залишалася зосередженою на ракеті.

Рішення

Крок 1. Намалюйте картинку, вводячи змінні.

Прямокутний трикутник утворюється з камерою під одним з непрямих кутів і ракетою під іншим непрямим кутом. Кут з камерою має вимір θ. Відстань від ракети до землі - h; зверніть увагу, що це сторона, протилежна куту з мірою θ. Сторона, що прилягає до кута з мірою θ, становить 5000 футів.
Малюнок4.1.4: Камера розташована на5000 футах від стартового майданчика ракети. Висота ракети і кут нахилу камери змінюються щодо часу. Позначимо ці величини зі зміннимиh іθ, відповідно.

Нехайh позначають висоту ракети над стартовим майданчиком іθ будуть кут між об'єктивом камери і землею.

Крок 2. Ми намагаємося знайти швидкість зміни кута нахилу камери щодо часу, коли ракета знаходиться на 1000 футів від землі. Тобто нам потрібно знайти,dθdt колиh=1000 фут. У той час ми знаємо, що швидкість ракети становитьdhdt=600 ft/sec.

Крок 3. Тепер нам потрібно знайти рівняння, що стосується двох величин, які змінюються щодо часу:h іθ. Як ми можемо створити таке рівняння? Використовуючи те, що ми намалювали прямокутний трикутник, природно думати про тригонометричних функціях. Нагадаємо, щоtanθ це відношення довжини протилежної сторони трикутника до довжини сусідньої сторони. Таким чином, ми маємо

tanθ=h5000.

Це дає нам рівняння

h=5000tanθ.

Крок 4. Диференціюючи це рівняння по відношенню до часуt, отримаємо

dhdt=5000sec2θdθdt.

Крок 5. Ми хочемо знайти,dθdt колиh=1000 фут. На даний момент ми знаємо, щоdhdt=600 ft/sec. Потрібно визначитисяsec2θ. Нагадаємо, щоsecθ це відношення довжини гіпотенузи до довжини сусідньої сторони. Ми знаємо, що довжина сусідньої сторони5000 футів. Для визначення довжини гіпотенузи використовуємо теорему Піфагора, де довжина одного катета -5000 ft, довжина іншого катета -h=1000 ft, а довжина гіпотенузи -c фути, як показано на наступному малюнку.

Прямокутний трикутник має один кут з мірою θ. Гіпотенуза - c, довжина сторони, протилежна куту з мірою θ, дорівнює 1000, а сторона, прилегла до кута з мірою θ - 5000.

Ми бачимо, що

10002+50002=c2

і робимо висновок, що гіпотенуза

c=100026ft.

Тому, коли уh=1000, нас є

sec2θ=(1000265000)2=2625.

Нагадаємо з кроку 4, що рівняння, щоdθdt стосується наших відомих значень, є

dhdt=5000sec2θdθdt.

Колиh=1000 ft, ми знаємо, щоdhdt=600 ft/sec іsec2θ=2625. Підставивши ці значення в попереднє рівняння, приходимо до рівняння

600=5000(2625)dθdt.

Томуdθdt=326 рад/сек.

Вправа4.1.3

Яка швидкість зміни необхідна для кута підйому камери, якщо камера розміщена на землі на відстані4000 футів від стартового майданчика і швидкість ракети становить500 ft/sec, коли ракета знаходиться в2000 футах від землі?

Підказка

Знайти,dθdt колиh=2000 фут. У той час,dhdt=500 ft/sec.

Відповідь

110рад/сек

У наступному прикладі розглянемо злив води з конусоподібної воронки. Порівнюємо швидкість, з якою знижується рівень води в конусі з тією швидкістю, з якою зменшується обсяг води.

Приклад4.1.4: Water Draining from a Funnel

Вода стікає з дна конусоподібної воронки зі швидкістю0.03ft3/sec. Висота воронки -2 фути, а радіус у верхній частині воронки -1 фути. З якою швидкістю змінюється висота води в воронці при висоті води12 футів?

Рішення

Крок 1: Намалюйте картинку, вводячи змінні.

Відображається воронка з висотою 2 і радіусом 1 на її вершині. Воронка має воду на висоту h, в якій точці радіус дорівнює r.
Малюнок4.1.5: Вода стікає з воронки висотою2 футів і радіусом1 футів. Висота води і радіус води змінюються з плином часу. Позначимо ці величини зі зміннимиh іr, відповідно.

Нехайh позначають висоту води в воронці, r позначають радіус води у її поверхні, іV позначають обсяг води.

Крок 2: Нам потрібно визначити,dhdt колиh=12 фут. Ми знаємо, щоdVdt=0.03 ft/sec.

Крок 3: Обсяг води в конусі дорівнює

V=13πr2h.

З малюнка ми бачимо, що у нас схожі трикутники. Тому співвідношення сторін у двох трикутників однакове. Томуrh=12 абоr=h2. Використовуючи цей факт, рівняння обсягу можна спростити до

V=13π(h2)2h=π12h3.

Крок 4: Застосовуючи правило ланцюга, диференціюючи обидві сторони цього рівняння щодо часуt, отримуємо

dVdt=π4h2dhdt.

Крок 5: Ми хочемо знайти,dhdt колиh=12 фут. Так як вода йде зі швидкістю0.03ft3/sec, ми це знаємоdVdt=0.03ft3/sec. Тому,

0.03=π4(12)2dhdt,

що має на увазі

0.03=π16dhdt.

Звідси випливає, що

dhdt=0.48π=0.153ft/sec.

Вправа4.1.4

З якою швидкістю змінюється висота води при висоті води14 футів?

Підказка

Нам потрібно знайти,dhdt колиh=14.

Відповідь

0.61фут/сек

Ключові концепції

  • Щоб вирішити пов'язану проблему ставок, спочатку намалюйте картину, яка ілюструє взаємозв'язок між двома або більше пов'язаними величинами, які змінюються щодо часу.
  • Щодо величин, вкажіть надану інформацію та швидкість, яку потрібно знайти.
  • Знайдіть рівняння, що стосується величин.
  • Використовуйте диференціацію, застосовуючи правило ланцюга в міру необхідності, щоб знайти рівняння, яке пов'язує ставки.
  • Переконайтеся, що не підставляйте змінну величину для однієї зі змінних, поки не знайдіть рівняння, що стосується ставок.

Глосарій

пов'язані тарифи
це темпи зміни, пов'язані з двома або більше пов'язаними величинами, які змінюються з плином часу