[Cambridge/1998]
一个球形气球正在被充气,在其半径为 3 m 的瞬间,其表面积以 2 m2^2s−1^{-1} 的速率增加。求在同一瞬间:
[球体的表面积和体积公式分别为 A=4πr2A = 4\pi r^2 和 V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3。]

  1. (i)

    半径的增加速率,

  2. (ii)

    体积的增加速率。

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完整解法

Q9(i)

1. Differentiate the given surface area formula with respect to the radius $r$.

A=4πr2A = 4\pi r^2
dAdr=8πr\frac{dA}{dr} = 8\pi r

2. Set up the connected rates of change equation using the chain rule.

dAdt=dAdr×drdt\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{dr}{dt}

3. Substitute the given values to calculate the rate of increase of the radius.

Substitute r=3r = 3 and dAdt=2\frac{dA}{dt} = 2:
2=8π(3)×drdt2 = 8\pi (3) \times \frac{dr}{dt}
2=24πdrdt2 = 24\pi \frac{dr}{dt}
drdt=224π=112π\frac{dr}{dt} = \frac{2}{24\pi} = \frac{1}{12\pi}

答案

112π m s−1\frac{1}{12\pi} \text{ m s}^{-1}

Q9(ii)

1. Establish the rate of change of the radius at $r = 3$ (as would be found in part i).

Given A=4πr2A = 4\pi r^2, we have dAdr=8πr\frac{dA}{dr} = 8\pi r.
By the chain rule, dAdt=dAdr×drdt\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{dr}{dt}.
2=8π(3)×drdt  ⟹  drdt=112π2 = 8\pi(3) \times \frac{dr}{dt} \implies \frac{dr}{dt} = \frac{1}{12\pi}

2. Differentiate the volume formula with respect to the radius.

V=43πr3  ⟹  dVdr=4πr2V = \frac{4}{3}\pi r^3 \implies \frac{dV}{dr} = 4\pi r^2

3. Apply the chain rule to find the rate of change of the volume when $r = 3$.

dVdt=dVdr×drdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dr} \times \frac{dr}{dt}
dVdt=4π(32)×112π\frac{dV}{dt} = 4\pi(3^2) \times \frac{1}{12\pi}
dVdt=36π×112π=3\frac{dV}{dt} = 36\pi \times \frac{1}{12\pi} = 3

答案

3 m3s−13\text{ m}^3\text{s}^{-1}

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