图示一个湖泊(阴影部分),其边缘有一条笔直平坦的道路 AXB。点 C 在湖面上,B 是距离 C 最近的点。距离 AB 为 30 m,BC 为 20 m。 纳塔莉(Natalie)在道路上的 A 点,想要尽快到达 C 点。她的奔跑速度为 4 m/s,游泳速度为 2 m/s。 她意识到,为了使到达 C 的总时间最短,必须在 A 和 B 之间的某个点 X 离开道路,然后直接游向 C。 设 AX 为 xx m,TT 为纳塔莉从 A 到 X 再从 X 到 C 所用的总时间(以秒为单位)。

  1. (a)

    证明 T=x4+12x2−60x+1300T = \dfrac{x}{4} + \dfrac{1}{2}\sqrt{x^2 - 60x + 1300}。

  2. (b)

    求 dTdx\dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} 的表达式。

  3. (c)

    求使总时间最短的 xx 值。你不需要证明该 xx 值确实能使总时间达到最短。

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完整解法

11(a)

1. Find the distance $XC$ using Pythagoras' theorem

Since BB is the point on the road closest to CC, ∠XBC=90∘\angle XBC = 90^\circ.
XB=AB−AX=30−xXB = AB - AX = 30 - x
Using Pythagoras' theorem in △XBC\triangle XBC:
XC2=XB2+BC2XC^2 = XB^2 + BC^2
XC2=(30−x)2+202XC^2 = (30 - x)^2 + 20^2
XC2=900−60x+x2+400XC^2 = 900 - 60x + x^2 + 400
XC=x2−60x+1300XC = \sqrt{x^2 - 60x + 1300}

2. Express the total time $T$ in terms of $x$

Time taken to run from AA to XX = Distance AXSpeed=x4\frac{\text{Distance } AX}{\text{Speed}} = \frac{x}{4}
Time taken to swim from XX to CC = Distance XCSpeed=x2−60x+13002\frac{\text{Distance } XC}{\text{Speed}} = \frac{\sqrt{x^2 - 60x + 1300}}{2}
Total time T=x4+12x2−60x+1300T = \frac{x}{4} + \frac{1}{2}\sqrt{x^2 - 60x + 1300} (Shown)

答案

Shown

11(b)

1. Differentiate the expression for $T$ with respect to $x$ using the chain rule

T=14x+12(x2−60x+1300)12T = \frac{1}{4}x + \frac{1}{2}(x^2 - 60x + 1300)^{\frac{1}{2}}

dTdx=14+12[12(x2−60x+1300)−12⋅(2x−60)]\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2}(x^2 - 60x + 1300)^{-\frac{1}{2}} \cdot (2x - 60) \right]

2. Simplify the derivative

dTdx=14+14(2x−60)(x2−60x+1300)−12\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{4} + \frac{1}{4}(2x - 60)(x^2 - 60x + 1300)^{-\frac{1}{2}}

dTdx=14+x−302x2−60x+1300\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{4} + \frac{x - 30}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}}

答案

14+x−302x2−60x+1300\dfrac{1}{4} + \dfrac{x - 30}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}}

11(c)

1. Find the derivative of $T$ with respect to $x$ (from part b)

dTdx=14+12⋅12x2−60x+1300⋅(2x−60)\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}} \cdot (2x - 60)
dTdx=14+x−302x2−60x+1300\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{4} + \frac{x - 30}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}}

2. Set the derivative to zero to find the minimum time

14+x−302x2−60x+1300=0\frac{1}{4} + \frac{x - 30}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}} = 0
30−x2x2−60x+1300=14\frac{30 - x}{2\sqrt{x^2 - 60x + 1300}} = \frac{1}{4}

3. Rearrange and square both sides to form a quadratic equation

2(30−x)=x2−60x+13002(30 - x) = \sqrt{x^2 - 60x + 1300}
4(30−x)2=x2−60x+13004(30 - x)^2 = x^2 - 60x + 1300
4(900−60x+x2)=x2−60x+13004(900 - 60x + x^2) = x^2 - 60x + 1300
3600−240x+4x2=x2−60x+13003600 - 240x + 4x^2 = x^2 - 60x + 1300
3x2−180x+2300=03x^2 - 180x + 2300 = 0

4. Solve the quadratic equation for $x$ and select the valid root

x=180±(−180)2−4(3)(2300)2(3)x = \frac{180 \pm \sqrt{(-180)^2 - 4(3)(2300)}}{2(3)}
x=180±32400−276006x = \frac{180 \pm \sqrt{32400 - 27600}}{6}
x=180±48006x = \frac{180 \pm \sqrt{4800}}{6}
x=30±2033x = 30 \pm \frac{20\sqrt{3}}{3}
Since XX is between AA and BB, x<30x < 30, so we reject x=30+2033x = 30 + \frac{20\sqrt{3}}{3}.
x=30−2033≈18.453x = 30 - \frac{20\sqrt{3}}{3} \approx 18.453
x≈18.5x \approx 18.5 (to 3 s.f.)

答案

18.518.5

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