泡打粉以 2π cm3s−12\pi\text{ cm}^3\text{s}^{-1} 的恒定速率倒在水平面上,形成一个直圆锥。圆锥的半径始终是其高度的 118\frac{1}{18}。求倒入 3 秒后圆锥半径的变化率。 [圆锥体积=13πr2h]\left[\text{圆锥体积} = \frac{1}{3}\pi r^2 h\right]

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完整解法

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1. Express the volume of the cone in terms of radius $r$ only.

Given r=118hr = \frac{1}{18}h, we have h=18rh = 18r.
V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h
V=13πr2(18r)V = \frac{1}{3}\pi r^2 (18r)
V=6πr3V = 6\pi r^3

2. Differentiate $V$ with respect to $r$.

dVdr=18πr2\frac{\text{d}V}{\text{d}r} = 18\pi r^2

3. Find the volume of the cone after 3 seconds.

Rate of pouring, dVdt=2π cm3s−1\frac{\text{d}V}{\text{d}t} = 2\pi\text{ cm}^3\text{s}^{-1}.
After 3 seconds, V=2π×3=6π cm3V = 2\pi \times 3 = 6\pi\text{ cm}^3.

4. Find the radius $r$ after 3 seconds.

6πr3=6π6\pi r^3 = 6\pi
r3=1r^3 = 1
r=1 cmr = 1\text{ cm}

5. Use the chain rule to find the rate of change of the radius.

dVdt=dVdr×drdt\frac{\text{d}V}{\text{d}t} = \frac{\text{d}V}{\text{d}r} \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
2π=(18π(1)2)×drdt2\pi = (18\pi (1)^2) \times \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
2π=18πdrdt2\pi = 18\pi \frac{\text{d}r}{\text{d}t}
drdt=2π18π=19 cm s−1\frac{\text{d}r}{\text{d}t} = \frac{2\pi}{18\pi} = \frac{1}{9}\text{ cm s}^{-1}

答案

118 cm s−1\frac{1}{18}\text{ cm s}^{-1}

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