一个质点在直线上运动,使得在离开固定点 O 后 tt 秒时,其速度 vv m/s 由 v=16(2e−2t−e−t)v = 16\bigl(2e^{-2t} - e^{-t}\bigr) 给出。求

  1. (a)

    质点到达距离 O 最远处的时间。

  2. (b)

    距离 O 最远距离的值。

  3. (c)

    质点的最小速度。

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完整解法

8(a)

1. Set velocity to zero to find the time when the particle is at its greatest distance

For greatest distance, the particle must be instantaneously at rest, so v=0v = 0.
16(2e−2t−e−t)=016(2e^{-2t} - e^{-t}) = 0

2. Solve the exponential equation for $t$

2e−2t=e−t2e^{-2t} = e^{-t}
Divide both sides by e−2te^{-2t}:
2=et2 = e^{t}
t=ln⁡2t = \ln 2

答案

t=ln⁡2t = \ln 2 or 0.6930.693 s

8(b)

1. Integrate the velocity function to find the displacement function $s(t)$.

s=∫16(2e−2t−e−t) dts = \int 16(2e^{-2t} - e^{-t}) \, dt
s=16(2e−2t−2−e−t−1)+Cs = 16\left(\frac{2e^{-2t}}{-2} - \frac{e^{-t}}{-1}\right) + C
s=16(−e−2t+e−t)+Cs = 16(-e^{-2t} + e^{-t}) + C

2. Use the initial condition to find the constant of integration $C$.

Since the particle leaves OO at t=0t = 0, s=0s = 0 when t=0t = 0.
0=16(−e0+e0)+C0 = 16(-e^{0} + e^{0}) + C
0=16(−1+1)+C0 = 16(-1 + 1) + C
C=0C = 0
So, s=16(e−t−e−2t)s = 16(e^{-t} - e^{-2t}).

3. Substitute the time of greatest distance (from part a) to find the maximum displacement.

From part (a), the greatest distance occurs when v=0v = 0, which gives e−t=12e^{-t} = \frac{1}{2} (or t=ln⁡2t = \ln 2).
Substitute e−t=12e^{-t} = \frac{1}{2} into the displacement equation:
s=16(12−(12)2)s = 16\left(\frac{1}{2} - \left(\frac{1}{2}\right)^2\right)
s=16(12−14)s = 16\left(\frac{1}{2} - \frac{1}{4}\right)
s=16(14)=4s = 16\left(\frac{1}{4}\right) = 4

答案

4 m4\text{ m}

8(c)

1. Differentiate the velocity function with respect to time to find acceleration.

v=32e−2t−16e−tv = 32e^{-2t} - 16e^{-t}

dvdt=32(−2e−2t)−16(−e−t)\frac{dv}{dt} = 32(-2e^{-2t}) - 16(-e^{-t})
dvdt=−64e−2t+16e−t\frac{dv}{dt} = -64e^{-2t} + 16e^{-t}

2. Set the derivative to zero to find the time at which velocity is stationary.

For minimum velocity, dvdt=0\frac{dv}{dt} = 0:
−64e−2t+16e−t=0-64e^{-2t} + 16e^{-t} = 0
16e−t(1−4e−t)=016e^{-t}(1 - 4e^{-t}) = 0

Since e−t>0e^{-t} > 0 for all tt, we have:
1−4e−t=01 - 4e^{-t} = 0
e−t=14e^{-t} = \frac{1}{4}

3. Verify that this stationary point corresponds to a minimum.

d2vdt2=−64(−2e−2t)+16(−e−t)=128e−2t−16e−t\frac{d^2v}{dt^2} = -64(-2e^{-2t}) + 16(-e^{-t}) = 128e^{-2t} - 16e^{-t}

Substitute e−t=14e^{-t} = \frac{1}{4}:
d2vdt2=128(14)2−16(14)=128(116)−4=8−4=4\frac{d^2v}{dt^2} = 128\left(\frac{1}{4}\right)^2 - 16\left(\frac{1}{4}\right) = 128\left(\frac{1}{16}\right) - 4 = 8 - 4 = 4

Since d2vdt2>0\frac{d^2v}{dt^2} > 0, the velocity is a minimum.

4. Calculate the minimum velocity.

Substitute e−t=14e^{-t} = \frac{1}{4} into vv:
v=16[2(14)2−14]v = 16\left[2\left(\frac{1}{4}\right)^2 - \frac{1}{4}\right]
v=16[2(116)−14]v = 16\left[2\left(\frac{1}{16}\right) - \frac{1}{4}\right]
v=16(18−28)v = 16\left(\frac{1}{8} - \frac{2}{8}\right)
v=16(−18)=−2v = 16\left(-\frac{1}{8}\right) = -2

答案

−2 m/s-2\text{ m/s}

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