如图所示,一个海上油井位于海中的 WW 点,距离陆地上的 AA 点有 8 km。石油需要输送到距离 AA 点 12 km 的 BB 点。铺设管道时,先从 WW 铺设一条直的水下管道到 AA 和 BB 之间的某个点 PP,然后通过另一条铺设在陆地上的直管道输送到 BB 点。 如果铺设管道的成本为水下每公里 60,000 美元,陆地上每公里 45,000 美元,那么点 PP 距离 AA 点应该多远,才能使铺设管道的成本最小?

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完整解法

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1. Formulate an equation for the total cost of laying the pipe based on the position of point $P$.

Let the distance APAP be xx km, where 0≤x≤120 \le x \le 12.
By Pythagoras' theorem, the length of the underwater pipe is WP=82+x2=x2+64WP = \sqrt{8^2 + x^2} = \sqrt{x^2 + 64} km.
The length of the pipe on land is PB=12−xPB = 12 - x km.
The total cost CC (in $) is given by:
C=60000x2+64+45000(12−x)C = 60000\sqrt{x^2 + 64} + 45000(12 - x)

2. Differentiate the cost function with respect to $x$ to find the stationary point.

To find the minimum cost, we differentiate CC with respect to xx and set dCdx=0\frac{dC}{dx} = 0:
dCdx=60000(12(x2+64)−12(2x))−45000\frac{dC}{dx} = 60000 \left( \frac{1}{2}(x^2 + 64)^{-\frac{1}{2}} (2x) \right) - 45000
dCdx=60000xx2+64−45000=0\frac{dC}{dx} = \frac{60000x}{\sqrt{x^2 + 64}} - 45000 = 0

3. Solve the algebraic equation to find the value of $x$.

60000xx2+64=45000\frac{60000x}{\sqrt{x^2 + 64}} = 45000
Dividing by 15000:
4xx2+64=3\frac{4x}{\sqrt{x^2 + 64}} = 3
4x=3x2+644x = 3\sqrt{x^2 + 64}
Squaring both sides:
16x2=9(x2+64)16x^2 = 9(x^2 + 64)
16x2=9x2+57616x^2 = 9x^2 + 576
7x2=5767x^2 = 576
Since distance x>0x > 0,
x=5767=247≈9.0714 kmx = \sqrt{\frac{576}{7}} = \frac{24}{\sqrt{7}} \approx 9.0714 \text{ km}

4. Verify that this stationary point results in a minimum cost.

Use the second derivative test:
d2Cdx2=60000[x2+64⋅(1)−x⋅(xx2+64)x2+64]\frac{d^2C}{dx^2} = 60000 \left[ \frac{\sqrt{x^2+64} \cdot (1) - x \cdot \left(\frac{x}{\sqrt{x^2+64}}\right)}{x^2+64} \right]
d2Cdx2=60000[x2+64−x2(x2+64)32]=3840000(x2+64)32\frac{d^2C}{dx^2} = 60000 \left[ \frac{x^2+64 - x^2}{(x^2+64)^{\frac{3}{2}}} \right] = \frac{3840000}{(x^2+64)^{\frac{3}{2}}}
Since d2Cdx2>0\frac{d^2C}{dx^2} > 0 for all valid x>0x > 0, the cost CC is definitively minimised when x=247≈9.07x = \frac{24}{\sqrt{7}} \approx 9.07 km.

答案

9.07 \text{ km}

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