大卫操控一架无人机,其飞行轨迹为曲线 CC,由方程 y=2xy = 2^x 建模,其中 x60;0x 60; 0 且 y>0y > 0。他站在原点 OO 处,并在点 P(a,b)P(a,b) 处看到了无人机。假设大卫的视线是曲线 CC 在点 PP 处且通过原点的切线,求 PP 的精确坐标。

  1. (b)

    在另一种情况下,大卫站在原点 OO,并操控一架无人机从距离 OO 500 m 的固定点 QQ 垂直向上飞起。无人机(用 RR 表示)以 20 m/s 的恒定速度向上攀升。与此同时,大卫以 5 m/s 的恒定速度沿水平线段 OQOQ 行走。在任意时刻 tt 秒,大卫的位置是水平线段 OQOQ 上的点 SS。

    1. (i)

      已知角 θ\theta(以弧度为单位)是角 SRQSRQ,证明 tan⁡θ=100−t4t\tan\theta = \dfrac{100 - t}{4t}。

    2. (ii)

      通过隐函数求导或其它方法,求用 tt 表示的 dθdt\dfrac{d\theta}{dt} 的表达式。

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完整解法

7(b)(i)

1. Express lengths $SQ$ and $QR$ in terms of $t$.

Given that David starts at OO and moves at 5 m/s5\text{ m/s}, the distance he travels in tt seconds is OS=5tOS = 5t.
Since the total distance OQ=500 mOQ = 500\text{ m}, the remaining distance SQSQ is:
SQ=500−5tSQ = 500 - 5t

The drone ascends vertically from QQ at 20 m/s20\text{ m/s}, so its height after tt seconds is:
QR=20tQR = 20t

2. Use trigonometry in $\triangle SQR$ to express $\tan\theta$.

In the right-angled triangle SQRSQR, the angle at QQ is 90∘90^\circ. For angle SRQ=θSRQ = \theta, the opposite side is SQSQ and the adjacent side is QRQR.
tan⁡θ=SQQR\tan \theta = \frac{SQ}{QR}
tan⁡θ=500−5t20t\tan \theta = \frac{500 - 5t}{20t}
Dividing the numerator and the denominator by 5:
tan⁡θ=100−t4t(Shown)\tan \theta = \frac{100 - t}{4t} \quad \text{(Shown)}

答案

Shown\text{Shown}

7(b)(ii)

1. Differentiate both sides of the equation from (b)(i) with respect to $t$ using implicit differentiation and the quotient rule.

ddt(tan⁡θ)=ddt(100−t4t)\frac{d}{dt}(\tan\theta) = \frac{d}{dt}\left(\frac{100 - t}{4t}\right)
sec⁡2θdθdt=4t(−1)−(100−t)(4)(4t)2\sec^2\theta \frac{d\theta}{dt} = \frac{4t(-1) - (100 - t)(4)}{(4t)^2}
sec⁡2θdθdt=−4t−400+4t16t2=−25t2\sec^2\theta \frac{d\theta}{dt} = \frac{-4t - 400 + 4t}{16t^2} = -\frac{25}{t^2}

2. Express $\sec^2\theta$ in terms of $t$ using the identity $\sec^2\theta = 1 + \tan^2\theta$.

sec⁡2θ=1+(100−t4t)2\sec^2\theta = 1 + \left(\frac{100 - t}{4t}\right)^2
sec⁡2θ=1+10000−200t+t216t2\sec^2\theta = 1 + \frac{10000 - 200t + t^2}{16t^2}
sec⁡2θ=16t2+10000−200t+t216t2\sec^2\theta = \frac{16t^2 + 10000 - 200t + t^2}{16t^2}
sec⁡2θ=17t2−200t+1000016t2\sec^2\theta = \frac{17t^2 - 200t + 10000}{16t^2}

3. Substitute the expression for $\sec^2\theta$ into the differentiated equation and simplify to isolate $\frac{d\theta}{dt}$.

(17t2−200t+1000016t2)dθdt=−25t2\left(\frac{17t^2 - 200t + 10000}{16t^2}\right) \frac{d\theta}{dt} = -\frac{25}{t^2}
dθdt=−25t2×16t217t2−200t+10000\frac{d\theta}{dt} = -\frac{25}{t^2} \times \frac{16t^2}{17t^2 - 200t + 10000}
dθdt=−40017t2−200t+10000\frac{d\theta}{dt} = -\frac{400}{17t^2 - 200t + 10000}

答案

−40017t2−200t+10000-\frac{400}{17t^2 - 200t + 10000}

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