图 1 一片药片在水中溶解,它被建模为一个圆柱体,如图 1 所示。在放入水中 tt 秒后,药片的半径为 xx mm,厚度为 13x\frac{1}{3}x mm。药片的圆形横截面积正以 0.5 mm^2 每秒的恒定速率减少。 当 x=5x = 5 时,求以下各项的精确值:

  1. (a)

    dxdt\dfrac{dx}{dt}

  2. (b)

    药片体积的变化率。

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完整解法

1(a)

1. Express the cross-sectional area in terms of $x$ and differentiate with respect to $x$.

Let AA be the circular cross-sectional area.
A=πx2A = \pi x^2
dAdx=2πx\frac{dA}{dx} = 2\pi x

2. Apply the chain rule using the given rate of change to find $\frac{dx}{dt}$.

Using the chain rule for connected rates of change:
dAdt=dAdx×dxdt\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dx} \times \frac{dx}{dt}
Since the area is decreasing at 0.5 mm2s−10.5 \text{ mm}^2\text{s}^{-1}, dAdt=−0.5=−12\frac{dA}{dt} = -0.5 = -\frac{1}{2}.
Substituting x=5x = 5:
−12=2π(5)×dxdt-\frac{1}{2} = 2\pi(5) \times \frac{dx}{dt}
10πdxdt=−1210\pi \frac{dx}{dt} = -\frac{1}{2}
dxdt=−120π\frac{dx}{dt} = -\frac{1}{20\pi}

答案

−120π-\dfrac{1}{20\pi}

1(b)

1. Express the volume of the tablet in terms of $x$ and differentiate it with respect to $x$.

The volume of a cylinder is V=πr2hV = \pi r^2 h.
Given r=xr = x and h=13xh = \frac{1}{3}x:
V=πx2(13x)=13πx3V = \pi x^2 \left(\frac{1}{3}x\right) = \frac{1}{3}\pi x^3
dVdx=πx2\frac{dV}{dx} = \pi x^2

2. Use the chain rule to evaluate the rate of change of the volume when $x = 5$.

By the chain rule:
dVdt=dVdx×dxdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dx} \times \frac{dx}{dt}
From part (a), when x=5x = 5, dxdt=−120π\frac{dx}{dt} = -\frac{1}{20\pi}. Substituting x=5x = 5 into dVdx\frac{dV}{dx}:
dVdx=π(5)2=25π\frac{dV}{dx} = \pi (5)^2 = 25\pi
dVdt=25π×(−120π)=−2520=−54\frac{dV}{dt} = 25\pi \times \left(-\frac{1}{20\pi}\right) = -\frac{25}{20} = -\frac{5}{4}

答案

−54 mm3/s-\frac{5}{4} \text{ mm}^3\text{/s}

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