为了准备大选,一个政党研究了通过在社交媒体平台 Instantglam 上上传特定视频来传播信息的有效性。已观看该视频的 Instantglam 用户数量的增长率与尚未观看该视频的 Instantglam 用户数量成正比。在视频上传 tt 小时后,观看过该视频的 Instantglam 用户数量为 xx。Instantglam 用户总数为 PP,假设其是固定不变的。

  1. (i)

    写出一个微分方程,并证明 x=P(1−e−kt)x = P(1 - \mathrm{e}^{-kt}),其中 kk 是一个正数常数。

  2. (ii)

    已知在视频上传 12 小时后,有一半的 Instantglam 用户观看了该视频。

    估算使 80% 的 Instantglam 用户观看该视频所需的时间,精确到最接近的小时。

  3. (iii)

    绘制 xx 关于 tt 的函数图象。

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完整解法

1. 根据题意列出微分方程并分离变量积分

根据题意,观看视频的人数 xx 增加的速率 dxdt\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 与尚未观看视频的人数 (P−x)(P - x) 成正比:
dxdt=k(P−x)(k>0)\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = k(P - x) \quad (k > 0)
分离变量得:
∫1P−x dx=∫k dt\int \dfrac{1}{P - x} \,\mathrm{d}x = \int k \,\mathrm{d}t
−ln⁡(P−x)=kt+C(因 x<P,故 P−x>0)-\ln(P - x) = kt + C \quad (\text{因 } x < P \text{,故 } P - x > 0)
ln⁡(P−x)=−kt−C\ln(P - x) = -kt - C
P−x=Ae−kt(其中 A=e−C>0)P - x = A\mathrm{e}^{-kt} \quad (\text{其中 } A = \mathrm{e}^{-C} > 0)

2. 代入初始条件确定常数,推导目标关系式

在视频刚上传时(t=0t = 0),已观看人数 x=0x = 0。
代入上式:
P−0=Ae0  ⟹  A=PP - 0 = A \mathrm{e}^{0} \implies A = P
代演可得:
P−x=Pe−ktP - x = P \mathrm{e}^{-kt}
x=P−Pe−kt=P(1−e−kt)x = P - P \mathrm{e}^{-kt} = P(1 - \mathrm{e}^{-kt})(证毕)

3. 根据 $t = 12$ 时的观看人数占比求出常数 $k$

已知当 t=12t = 12 时,x=0.5Px = 0.5P:
0.5P=P(1−e−12k)0.5P = P(1 - \mathrm{e}^{-12k})
0.5=1−e−12k0.5 = 1 - \mathrm{e}^{-12k}
e−12k=0.5\mathrm{e}^{-12k} = 0.5
−12k=ln⁡(0.5)=−ln⁡2-12k = \ln(0.5) = -\ln 2
k=ln⁡212≈0.05776k = \dfrac{\ln 2}{12} \approx 0.05776

4. 计算 80% 用户观看视频所需的时间 $t$

当 80% 的用户观看视频时,x=0.8Px = 0.8P:
0.8P=P(1−e−kt)0.8P = P(1 - \mathrm{e}^{-kt})
0.8=1−e−kt0.8 = 1 - \mathrm{e}^{-kt}
e−kt=0.2\mathrm{e}^{-kt} = 0.2
−kt=ln⁡(0.2)=−ln⁡5-kt = \ln(0.2) = -\ln 5
t=ln⁡5k=ln⁡5ln⁡212=12ln⁡5ln⁡2≈27.86 小时t = \dfrac{\ln 5}{k} = \dfrac{\ln 5}{\frac{\ln 2}{12}} = \dfrac{12\ln 5}{\ln 2} \approx 27.86 \text{ 小时}
精确到最接近的小时,时间为 2828 小时。

5. 绘制 $x$ 关于 $t$ 的函数图像

分析函数 x=P(1−e−kt)x = P(1 - \mathrm{e}^{-kt}) 的图像特征:

  1. 当 t=0t = 0 时,x=0x = 0,图像过原点 (0,0)(0, 0);
  2. 当 t>0t > 0 时,dxdt=kPe−kt>0\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = kP\mathrm{e}^{-kt} > 0,函数单调递增;
  3. d2xdt2=−k2Pe−kt<0\dfrac{\mathrm{d}^2 x}{\mathrm{d}t^2} = -k^2 P\mathrm{e}^{-kt} < 0,曲线凹向下方(增长速率逐渐减慢);
  4. 当 t→∞t \to \infty 时,x→Px \to P,存在水平渐近线 x=Px = P;
  5. 图像经过点 (12,0.5P)(12, 0.5P)。

绘图要点:在第一象限画一条从原点 (0,0)(0,0) 开始上凸递增、并无限趋近于虚线渐近线 x=Px = P 的平滑曲线,标出横轴 tt、纵轴 xx 以及渐近线 x=Px = P。

答案
  1. 微分方程为 dxdt=k(P−x)\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = k(P - x),证明过程见解题步骤。
  2. 达到 80% 观看率所需时间约为 2828 小时。
  3. 图象从原点 (0,0)(0,0) 出发,单调递增且凹向下方,当 t→∞t \to \infty 时无限趋近于水平渐近线 x=Px = P,并经过点 (12,0.5P)(12, 0.5P)。

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