一名住院患者在中午 12 点服用了一颗含有 50 单位抗生素的药丸。到下午 1 点,患者体内的抗生素单位数下降了 12%。到下午 2 点,下午 1 点时残留在血液中的抗生素又减少了 12%。已知其减少速率使得抗生素量每小时下降 12%,求下午 6 点时血液中残留的抗生素量。 医生考虑制定一个疗程,要求患者在很长一段时间内每 6 小时服用一次该药丸。已知 xn+1=50+(0.88)6xn,x_{n+1}=50+(0.88)^6 x_n, 其中 xnx_n 表示服用第 nn 颗药丸后体内的抗生素单位数。 当 n→∞n \to \infty 时,xn→Lx_n \to L。确定 LL 的值。 证明:若 xn<Lx_n<L,则 xn+1>xnx_{n+1}>x_n; xn+1<xn if xn>L.x_{n+1}<x_n\text{ if }x_n>L.

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完整解法

5(i)

1. Determine the time elapsed and the constant decay multiplier.

The time elapsed from 12pm to 6pm is 66 hours.
The amount of antibiotic drops by 12%12\% every hour, so the multiplier is 1−0.12=0.881 - 0.12 = 0.88.

2. Formulate and evaluate the amount remaining after 6 hours.

Amount remaining=50×(0.88)6\text{Amount remaining} = 50 \times (0.88)^6
=23.220...≈23.2 units= 23.220... \approx 23.2 \text{ units}

答案

23.223.2 units

5(ii)(a)

1. Apply the limit as $n \to \infty$ to the recurrence relation

As n→∞n \to \infty, both xn→Lx_n \to L and xn+1→Lx_{n+1} \to L.
Substituting this into the given recurrence relation:
L=50+(0.88)6LL = 50 + (0.88)^6 L

2. Solve the linear equation for $L$

L−(0.88)6L=50L - (0.88)^6 L = 50
L(1−0.886)=50L(1 - 0.88^6) = 50
L=501−0.886L = \frac{50}{1 - 0.88^6}
L≈93.3539L \approx 93.3539
L≈93.4 (to 3 s.f.)L \approx 93.4 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

93.493.4

5(ii)(b)

1. Form an expression for the difference $x_{n+1} - x_n$.

xn+1−xn=50+(0.88)6xn−xnx_{n+1} - x_n = 50 + (0.88)^6 x_n - x_n
xn+1−xn=50−xn(1−(0.88)6)x_{n+1} - x_n = 50 - x_n(1 - (0.88)^6)

2. Substitute the exact relation for the limit $L$ into the difference expression.

From part (ii)(a), as n→∞n \to \infty, xn→Lx_n \to L, so the limit satisfies:
L=50+(0.88)6L  ⟹  50=L(1−(0.88)6)L = 50 + (0.88)^6 L \implies 50 = L(1 - (0.88)^6)
Substitute this equivalent of 50 into the expression for xn+1−xnx_{n+1} - x_n:
xn+1−xn=L(1−(0.88)6)−xn(1−(0.88)6)x_{n+1} - x_n = L(1 - (0.88)^6) - x_n(1 - (0.88)^6)
xn+1−xn=(L−xn)(1−(0.88)6)x_{n+1} - x_n = (L - x_n)(1 - (0.88)^6)

3. Analyze the sign of the difference to deduce the inequalities.

Since (0.88)6<1(0.88)^6 < 1, the constant term (1−(0.88)6)>0(1 - (0.88)^6) > 0.

  • If xn<Lx_n < L, then L−xn>0L - x_n > 0.
    (L−xn)(1−(0.88)6)>0  ⟹  xn+1−xn>0  ⟹  xn+1>xn(L - x_n)(1 - (0.88)^6) > 0 \implies x_{n+1} - x_n > 0 \implies x_{n+1} > x_n

  • If xn>Lx_n > L, then L−xn<0L - x_n < 0.
    (L−xn)(1−(0.88)6)<0  ⟹  xn+1−xn<0  ⟹  xn+1<xn(L - x_n)(1 - (0.88)^6) < 0 \implies x_{n+1} - x_n < 0 \implies x_{n+1} < x_n

(Both cases are shown)

答案

Shown

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