一个半径为 15 cm 的半球形鱼缸(如上图所示)最初装满了水。该鱼缸有一处破损,水正以 20 cm^3/min 的恒定速率泄漏。鱼缸中水的体积由下式给出: 其中 是鱼缸中心处的水深,单位为 cm。

- (a)
证明水面半径 (单位为 cm)由 给出。
- (b)
已知金鱼生存所需的最小水深为 5 cm,求在这一瞬间:
- (i)
水深的变化率,
- (ii)
水面半径的减小率
- (i)
它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的
完整解法
1(a)
1. Apply Pythagoras' theorem to the right-angled triangle formed by the water surface radius, the vertical distance to the tank's centre, and the tank's radius.
2. Expand the squared expression and make $r$ the subject.
Since represents a length, , therefore:
(shown)
1(b)(i)
1. Differentiate the given volume $V$ with respect to the depth $h$.
2. Apply the chain rule to find the rate of change of depth when $h=5$.
By the chain rule, .
Since water is leaking at , .
When ,
Substitute the values into the chain rule:
cm/min (or cm/min)
1(b)(ii)
1. Calculate $\frac{dh}{dt}$ at $h = 5$ (dependency from part (b)(i))
When , .
Given , using the chain rule :
2. Differentiate the radius $r$ with respect to $h$ and evaluate at $h = 5$
From part (a), .
When :
3. Calculate the rate of decrease of the radius $r$
Using the chain rule for connected rates of change:
Rationalising the denominator gives .
Since the question asks for the rate of decrease, we drop the negative sign.
Rate of decrease
cm/min (or cm/min)
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