容器中液体的体积 V m3V\ \text{m}^3 由下式给出:V=0.05[(3x+2)3−8],V = 0.05\bigl[(3x+2)^3 - 8\bigr], 其中 xx 是液体的深度(以米为单位)。 液体以 0.081 m3/s0.081\ \text{m}^3/\text{s} 的恒定速率流入容器。

  1. (a)

    求 dVdx\dfrac{dV}{dx} 的表达式。

  2. (b)

    求当 V=0.95V = 0.95 时 xx 的值。

  3. (c)

    由此求出当 V=0.95V = 0.95 时 dxdt\dfrac{dx}{dt} 的值,并解释你所得到的答案的实际意义。

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完整解法

13(a)

1. Differentiate the expression for $V$ with respect to $x$ using the chain rule

dVdx=0.05×3(3x+2)2×ddx(3x+2)\dfrac{dV}{dx} = 0.05 \times 3(3x+2)^2 \times \dfrac{d}{dx}(3x+2)

2. Simplify the derivative

dVdx=0.05×3(3x+2)2×3=0.45(3x+2)2\dfrac{dV}{dx} = 0.05 \times 3(3x+2)^2 \times 3 \\ = 0.45(3x+2)^2

答案

0.45(3x+2)20.45(3x+2)^2

13(b)

1. Substitute $V = 0.95$ into the given equation for $V$

0.95=0.05[(3x+2)3−8]0.95 = 0.05\bigl[(3x+2)^3 - 8\bigr]
0.950.05=(3x+2)3−8\frac{0.95}{0.05} = (3x+2)^3 - 8
19=(3x+2)3−819 = (3x+2)^3 - 8

2. Solve for $x$

(3x+2)3=27(3x+2)^3 = 27
3x+2=2733x+2 = \sqrt[3]{27}
3x+2=33x+2 = 3
3x=13x = 1
x=13x = \frac{1}{3}

答案

x=13x = \frac{1}{3}

13(c)

1. Find the value of $x$ and $\frac{dV}{dx}$ when $V = 0.95$

From part (b), when V=0.95V = 0.95, x=13x = \frac{1}{3}.
From part (a), dVdx=0.45(3x+2)2\dfrac{dV}{dx} = 0.45(3x+2)^2.
Substitute x=13x = \frac{1}{3} into dVdx\dfrac{dV}{dx}:
dVdx=0.45(3(13)+2)2=0.45(3)2=4.05\dfrac{dV}{dx} = 0.45\left(3\left(\frac{1}{3}\right)+2\right)^2 = 0.45(3)^2 = 4.05

2. Apply the chain rule to find $\frac{dx}{dt}$

By the chain rule, dVdt=dVdx×dxdt\dfrac{dV}{dt} = \dfrac{dV}{dx} \times \dfrac{dx}{dt}.
We are given that the liquid enters at a constant rate, so dVdt=0.081\dfrac{dV}{dt} = 0.081.
0.081=4.05×dxdt0.081 = 4.05 \times \dfrac{dx}{dt}
dxdt=0.0814.05=0.02\dfrac{dx}{dt} = \dfrac{0.081}{4.05} = 0.02

3. Explain the significance of the answer

The value 0.020.02 means that the height of the liquid in the container is increasing at a rate of 0.02 m/s0.02\text{ m/s} at the instant when the volume is 0.95 m30.95\text{ m}^3.

答案

dxdt=0.02\dfrac{dx}{dt} = 0.02; The height of the liquid is increasing at a rate of 0.02 m/s0.02\text{ m/s} when the volume is 0.95 m30.95\text{ m}^3.

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