水正以 42 m3/s42\text{ m}^3/\text{s} 的恒定速率注入一个空容器中。tt 秒后,水深为 h mh\text{ m},容器内水的体积 V m3V\text{ m}^3 由下式给出:V=(5+2h)33π.V = \frac{(5+2h)^3}{3\pi}.

  1. (i)

    用 hh 和 π\pi 表示水深的变化率。

  2. (ii)

    随着容器中水深的增加,判断并给出理由,hh 的变化率是增加还是减少。

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完整解法

5(i)

1. Differentiate the volume $V$ with respect to the depth $h$.

V=(5+2h)33πV = \frac{(5+2h)^3}{3\pi}

dVdh=13π×3(5+2h)2×2\frac{dV}{dh} = \frac{1}{3\pi} \times 3(5+2h)^2 \times 2

dVdh=2(5+2h)2π\frac{dV}{dh} = \frac{2(5+2h)^2}{\pi}

2. Set up the chain rule for connected rates of change.

dVdt=dVdh×dhdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dh} \times \frac{dh}{dt}

3. Substitute the given rate of change of volume and solve for the rate of change of depth.

Given dVdt=42\frac{dV}{dt} = 42:

42=2(5+2h)2π×dhdt42 = \frac{2(5+2h)^2}{\pi} \times \frac{dh}{dt}

dhdt=42π2(5+2h)2\frac{dh}{dt} = \frac{42\pi}{2(5+2h)^2}

dhdt=21π(5+2h)2\frac{dh}{dt} = \frac{21\pi}{(5+2h)^2}

答案

21π(5+2h)2\frac{21\pi}{(5+2h)^2}

5(ii)

1. Recall the expression for the rate of change of depth from part (i)

From part (i), dhdt=21π(5+2h)2\frac{dh}{dt} = \frac{21\pi}{(5+2h)^2}.

2. Determine the behaviour of the rate of change as $h$ increases

As hh increases, the value of (5+2h)2(5+2h)^2 increases. Since the numerator 21π21\pi is a positive constant and the denominator increases, the overall fraction 21π(5+2h)2\frac{21\pi}{(5+2h)^2} decreases. Therefore, the rate of change of hh decreases.

答案

The rate of change of hh will decrease because the denominator (5+2h)2(5+2h)^2 increases as hh increases.

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