MI PU2 Promo 9758/2019/02/Q1 A 镇、B 镇和 C 镇位于瓦坎迪国(Wakandi Country)。A 镇和 B 镇之间的距离为 60 km,B 镇 and C 镇之间的距离为 20 km。一条铁路连接 A 镇和 B 镇(见图)。 一家制造商计划每天从 A 镇向 C 镇运送一定数量的集装箱货物。为了支持这一计划,瓦坎迪政府决定建造换乘站 S 以及连接该站与 C 镇的一条公路(见图)。一旦公路建成,货物制造商就可以通过铁路和公路的组合,途经换乘站 S 将集装箱从 A 镇运送到 C 镇。 每天铁路运输集装箱的成本为每公里 $200,公路运输的成本为每公里 $300。

  1. (i)

    证明集装箱从 A 镇运送到 C 镇的每日总运输成本 TT 由下式给出:
    T=200x+300x2−120x+4000,T = 200x + 300\sqrt{x^2 - 120x + 4000},
    其中 xx km 是 A 镇与换乘站 S 之间的距离。

  2. (ii)

    由此,利用微分法求出使 TT 取得驻值的 xx 的值,结果精确到 2 位小数。证明在此 xx 值下 TT 取得极小值。

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完整解法

7(i)

1. Find the road distance $SC$ in terms of $x$ using Pythagoras' theorem.

From the diagram, the distance from Interchange Station S to Town B is SB=60−xSB = 60 - x.
Since ∠SBC=90∘\angle SBC = 90^\circ, we use Pythagoras' theorem in right-angled △SBC\triangle SBC:
SC2=SB2+BC2SC^2 = SB^2 + BC^2
SC=(60−x)2+202SC = \sqrt{(60 - x)^2 + 20^2}
SC=3600−120x+x2+400SC = \sqrt{3600 - 120x + x^2 + 400}
SC=x2−120x+4000SC = \sqrt{x^2 - 120x + 4000}

2. Formulate the total delivery cost $T$ using the given rates for rail and road.

The total daily delivery cost TT is the sum of the cost by rail (for distance ASAS) and the cost by road (for distance SCSC).
T=200(AS)+300(SC)T = 200(AS) + 300(SC)
Since AS=xAS = x:
T=200x+300x2−120x+4000(shown)T = 200x + 300\sqrt{x^2 - 120x + 4000} \quad \text{(shown)}

答案

T = 200x + 300\sqrt{x^2 - 120x + 4000}

7(ii)

1. Find the first derivative $\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x}$ using the chain rule.

T=200x+300(x2−120x+4000)12T = 200x + 300(x^2 - 120x + 4000)^{\frac{1}{2}}
dTdx=200+300(12)(x2−120x+4000)−12(2x−120)\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = 200 + 300 \left(\frac{1}{2}\right)(x^2 - 120x + 4000)^{-\frac{1}{2}}(2x - 120)
dTdx=200+300(x−60)x2−120x+4000\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = 200 + \frac{300(x - 60)}{\sqrt{x^2 - 120x + 4000}}

2. Set the derivative to zero and rearrange to isolate the square root.

For a stationary value, dTdx=0\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = 0:
200+300(x−60)x2−120x+4000=0200 + \frac{300(x - 60)}{\sqrt{x^2 - 120x + 4000}} = 0
300(x−60)x2−120x+4000=−200\frac{300(x - 60)}{\sqrt{x^2 - 120x + 4000}} = -200
3(x−60)=−2x2−120x+40003(x - 60) = -2\sqrt{x^2 - 120x + 4000}

3. Square both sides to form a quadratic equation and solve for $x$.

(3(x−60))2=(−2x2−120x+4000)2(3(x - 60))^2 = \left(-2\sqrt{x^2 - 120x + 4000}\right)^2
9(x2−120x+3600)=4(x2−120x+4000)9(x^2 - 120x + 3600) = 4(x^2 - 120x + 4000)
9x2−1080x+32400=4x2−480x+160009x^2 - 1080x + 32400 = 4x^2 - 480x + 16000
5x2−600x+16400=05x^2 - 600x + 16400 = 0
x2−120x+3280=0x^2 - 120x + 3280 = 0
Using the quadratic formula:
x=120±(−120)2−4(1)(3280)2x = \frac{120 \pm \sqrt{(-120)^2 - 4(1)(3280)}}{2}
x=120±14400−131202=120±12802x = \frac{120 \pm \sqrt{14400 - 13120}}{2} = \frac{120 \pm \sqrt{1280}}{2}
x=60±85x = 60 \pm 8\sqrt{5}

4. Reject the extraneous root and state the valid value of $x$.

From the equation 3(x−60)=−2x2−120x+40003(x - 60) = -2\sqrt{x^2 - 120x + 4000}, the right side is negative (since the principal square root is positive). This requires x−60<0x - 60 < 0, so x<60x < 60.
Alternatively, S lies between Town A and B, so 0≤x≤600 \le x \le 60.
Therefore, we reject x=60+85≈77.89x = 60 + 8\sqrt{5} \approx 77.89.
x=60−85≈42.11 (to 2 d.p.)x = 60 - 8\sqrt{5} \approx 42.11 \text{ (to 2 d.p.)}

5. Use the first derivative test to verify that the value of $x$ gives a minimum $T$.

Let x≈42.11x \approx 42.11. We test values slightly below and above this point:
When x=42x = 42:
dTdx=200+300(42−60)422−120(42)+4000≈−0.69<0\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = 200 + \frac{300(42 - 60)}{\sqrt{42^2 - 120(42) + 4000}} \approx -0.69 < 0
When x=43x = 43:
dTdx=200+300(43−60)432−120(43)+4000≈5.71>0\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} = 200 + \frac{300(43 - 60)}{\sqrt{43^2 - 120(43) + 4000}} \approx 5.71 > 0
Since dTdx\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} changes sign from negative to positive as xx increases through the stationary point, TT is a minimum.

答案

x=42.11x = 42.11

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