在三角形 ABCABC 中,AB=x cmAB = x\ \text{cm},AC=3x cmAC = 3x\ \text{cm},且角 BAC=2π3BAC = \dfrac{2\pi}{3}。如果 xx 以 0.5 cm/s0.5\ \text{cm/s} 的速率增加,求当 x=4x = 4 时,该三角形面积增加的准确速率。 变量 FF 和 rr 满足 FF 与 rr 的平方根成反比。已知当 F=0.5F = 0.5 时 r=9r = 9,求当 F=0.5F = 0.5 时 rr 关于 FF 的变化率。

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完整解法

13(a)

1. Express the area of the triangle in terms of $x$.

Let AA be the area of triangle ABCABC.
A=12(AB)(AC)sin⁡(∠BAC)A = \frac{1}{2}(AB)(AC)\sin(\angle BAC)
A=12(x)(3x)sin⁡(2π3)A = \frac{1}{2}(x)(3x)\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right)
Since sin⁡(2π3)=32\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}:
A=12(3x2)(32)=334x2A = \frac{1}{2}(3x^2)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = \frac{3\sqrt{3}}{4}x^2

2. Differentiate the area with respect to $x$.

dAdx=334(2x)=332x\frac{dA}{dx} = \frac{3\sqrt{3}}{4}(2x) = \frac{3\sqrt{3}}{2}x

3. Apply the chain rule to find the rate of change of area.

Using the chain rule for connected rates of change:
dAdt=dAdx×dxdt\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dx} \times \frac{dx}{dt}
Given dxdt=0.5\frac{dx}{dt} = 0.5:
dAdt=(332x)(0.5)=334x\frac{dA}{dt} = \left(\frac{3\sqrt{3}}{2}x\right)(0.5) = \frac{3\sqrt{3}}{4}x

4. Substitute $x = 4$ to find the exact rate.

When x=4x = 4:
dAdt=334(4)=33\frac{dA}{dt} = \frac{3\sqrt{3}}{4}(4) = 3\sqrt{3}

答案

33 cm2/s3\sqrt{3}\ \text{cm}^2/\text{s}

13(b)

1. Set up the relationship between $F$ and $r$ and find the constant of proportionality.

Since FF is inversely proportional to the square root of rr, we have:
F=krF = \frac{k}{\sqrt{r}}
Given F=0.5F = 0.5 when r=9r = 9:
0.5=k90.5 = \frac{k}{\sqrt{9}}
0.5=k3  ⟹  k=1.50.5 = \frac{k}{3} \implies k = 1.5
So, F=1.5rF = \frac{1.5}{\sqrt{r}}.

2. Express $r$ in terms of $F$.

r=1.5F\sqrt{r} = \frac{1.5}{F}
r=(1.5F)2=2.25F2=2.25F−2r = \left(\frac{1.5}{F}\right)^2 = \frac{2.25}{F^2} = 2.25F^{-2}

3. Differentiate $r$ with respect to $F$.

drdF=2.25(−2)F−3=−4.5F−3=−4.5F3\frac{dr}{dF} = 2.25(-2)F^{-3} = -4.5F^{-3} = -\frac{4.5}{F^3}

4. Evaluate the rate of change when $F = 0.5$.

When F=0.5F = 0.5:
drdF=−4.5(0.5)3=−4.50.125=−36\frac{dr}{dF} = -\frac{4.5}{(0.5)^3} = -\frac{4.5}{0.125} = -36

答案

−36-36

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