圆的半径以 3 cm s^{-1} 的速率增加。用 π\pi 表示以下情况下面积的增加率:

  1. (i)

    半径为 5 cm。

  2. (ii)

    面积为 4π cm24\pi\ \text{cm}^2。

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完整解法

4(i)

1. State the formula for the area of a circle and differentiate it with respect to the radius.

Let AA be the area and rr be the radius of the circle.
A=πr2A = \pi r^2
dAdr=2πr\frac{dA}{dr} = 2\pi r

2. Apply the chain rule to express the rate of change of area with respect to time.

Using the chain rule for connected rates of change:
dAdt=dAdr×drdt\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{dr}{dt}
Given that drdt=3\frac{dr}{dt} = 3,
dAdt=(2πr)(3)=6πr\frac{dA}{dt} = (2\pi r)(3) = 6\pi r

3. Substitute the given radius to find the specific rate of increase of the area.

When r=5r = 5,
dAdt=6π(5)=30π\frac{dA}{dt} = 6\pi (5) = 30\pi

答案

30π cm2 s−130\pi\ \text{cm}^2\text{ s}^{-1}

4(ii)

1. Find the radius when the area is $4\pi\ \text{cm}^2$

A=πr2A = \pi r^2
4π=πr24\pi = \pi r^2
r2=4r^2 = 4
r=2r = 2 (since r>0r > 0)

2. Use the chain rule to find the rate of increase of the area

From part (i), dAdt=dAdr×drdt=2πr×3=6πr\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{dr}{dt} = 2\pi r \times 3 = 6\pi r
Substitute r=2r = 2:
dAdt=6π(2)\frac{dA}{dt} = 6\pi (2)

3. Calculate the final rate of increase

dAdt=12π\frac{dA}{dt} = 12\pi

答案

12π cm2 s−112\pi\ \text{cm}^2\text{ s}^{-1}

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