某天午夜后 tt 小时,港口的水位高度可以通过公式 h=4.8sin⁡kπt+5.1h = 4.8 \sin k\pi t + 5.1 来建模,其中 0≤t≤240 \le t \le 24。

  1. (a)

    给出潮汐的最大和最小水位。

  2. (b)

    潮汐周期从高潮开始,到下一次高潮结束。已知 24 小时内有 2 个潮汐周期,证明 k=16k = \frac{1}{6}。

  3. (c)

    当潮汐水位高于 2 m 时,船只可以进入港口。求在第一个 12 小时的周期内,船只可以进入港口的时间范围。

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完整解法

6(a)

1. Find the maximum level of the tide

The maximum value of sin⁡kπt\sin k\pi t is 11.
Maximum level =4.8(1)+5.1=9.9= 4.8(1) + 5.1 = 9.9 m

2. Find the minimum level of the tide

The minimum value of sin⁡kπt\sin k\pi t is −1-1.
Minimum level =4.8(−1)+5.1=0.3= 4.8(-1) + 5.1 = 0.3 m

答案

Maximum level = 9.99.9 m, Minimum level = 0.30.3 m

6(b)

1. Determine the period of one tide cycle in hours.

Since there are 2 tide cycles in 24 hours, the period of one cycle is:
Period=242=12 hours\text{Period} = \frac{24}{2} = 12 \text{ hours}

2. Relate the period to the coefficient of $t$ in the sine function and solve for $k$.

The period of y=asin⁡(bt)+cy = a \sin(bt) + c is 2πb\frac{2\pi}{b}. Here, b=kπb = k\pi.
2πkπ=12\frac{2\pi}{k\pi} = 12
2k=12\frac{2}{k} = 12
12k=212k = 2
k=212=16 (shown)k = \frac{2}{12} = \frac{1}{6} \text{ (shown)}

答案

Shown that k=16k = \frac{1}{6}.

6(c)

1. Set up the inequality for the height of the water

We require h>2h > 2.
4.8sin⁡(π6t)+5.1>24.8 \sin\left(\frac{\pi}{6} t\right) + 5.1 > 2
4.8sin⁡(π6t)>−3.14.8 \sin\left(\frac{\pi}{6} t\right) > -3.1
sin⁡(π6t)>−3148\sin\left(\frac{\pi}{6} t\right) > -\frac{31}{48}

2. Find the basic angle and the boundary values for the angle

Let θ=π6t\theta = \frac{\pi}{6} t. We solve sin⁡θ=−3148\sin \theta = -\frac{31}{48} for 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi.
Basic angle α=sin⁡−1(3148)≈0.7017\alpha = \sin^{-1}\left(\frac{31}{48}\right) \approx 0.7017 rad.
Since sin⁡θ\sin \theta is negative, θ\theta is in the 3rd and 4th quadrants:
θ1=π+0.7017=3.8433\theta_1 = \pi + 0.7017 = 3.8433 rad
θ2=2π−0.7017=5.5815\theta_2 = 2\pi - 0.7017 = 5.5815 rad

3. Solve for $t$ and state the range of times

For θ1\theta_1:
π6t1=3.8433  ⟹  t1=6π(3.8433)≈7.340\frac{\pi}{6} t_1 = 3.8433 \implies t_1 = \frac{6}{\pi}(3.8433) \approx 7.340
For θ2\theta_2:
π6t2=5.5815  ⟹  t2=6π(5.5815)≈10.660\frac{\pi}{6} t_2 = 5.5815 \implies t_2 = \frac{6}{\pi}(5.5815) \approx 10.660

From the sine graph, sin⁡(π6t)>−3148\sin\left(\frac{\pi}{6} t\right) > -\frac{31}{48} when 0≤t<7.3400 \le t < 7.340 and 10.660<t≤1210.660 < t \le 12.
Thus, the range of times is 0≤t<7.340 \le t < 7.34 and 10.66<t≤1210.66 < t \le 12.

答案

0≤t<7.340 \le t < 7.34 and 10.66<t≤1210.66 < t \le 12

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