变量 xx 和 yy 增加,且满足当 x=3x = 3 时,yy 随时间的变化率是 xx 随时间的变化率的三倍。 已知 y=k3x+7y = k\sqrt{3x+7},其中 kk 是常数,求 kk 的值。 一种放射性样品的质量为 mm 克,在开始观察 tt 天后的质量由 m=24e−0.02tm = 24e^{-0.02t} 给出。 放射性样品的初始质量, 样品减少到其初始质量一半所需的时间, 12 小时后质量减小的速率。

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完整解法

9((a))

1. Express the given relationship between the rates of change

Given that when x=3x = 3, dydt=3dxdt\frac{dy}{dt} = 3 \frac{dx}{dt}.

2. Differentiate $y$ with respect to $x$

y=k(3x+7)12y = k(3x+7)^{\frac{1}{2}}
dydx=k(12)(3x+7)−12(3)\frac{dy}{dx} = k \left(\frac{1}{2}\right)(3x+7)^{-\frac{1}{2}}(3)
dydx=3k23x+7\frac{dy}{dx} = \frac{3k}{2\sqrt{3x+7}}

3. Apply the chain rule for connected rates of change

dydt=dydx×dxdt\frac{dy}{dt} = \frac{dy}{dx} \times \frac{dx}{dt}
Substitute dydt=3dxdt\frac{dy}{dt} = 3 \frac{dx}{dt}:
3dxdt=3k23x+7dxdt3 \frac{dx}{dt} = \frac{3k}{2\sqrt{3x+7}} \frac{dx}{dt}
Since dxdt≠0\frac{dx}{dt} \neq 0, we can divide both sides by dxdt\frac{dx}{dt}:
3=3k23x+73 = \frac{3k}{2\sqrt{3x+7}}

4. Substitute $x = 3$ and solve for $k$

Substitute x=3x = 3:
3=3k23(3)+73 = \frac{3k}{2\sqrt{3(3)+7}}
3=3k2163 = \frac{3k}{2\sqrt{16}}
3=3k2(4)3 = \frac{3k}{2(4)}
3=3k83 = \frac{3k}{8}
24=3k24 = 3k
k=8k = 8

答案

k=8k = 8

9((b))((i))

1. Substitute $t = 0$ into the given equation to find the initial mass

When t=0t = 0,
m=24e−0.02(0)m = 24e^{-0.02(0)}
m=24e0m = 24e^0
m=24(1)=24m = 24(1) = 24

答案

2424 g

9((b))((ii))

1. Set up the equation for half the initial mass

Initial mass is 2424 g. Half of this is 1212 g.
12=24e−0.02t12 = 24e^{-0.02t}

2. Solve for $t$ using natural logarithms

e−0.02t=0.5e^{-0.02t} = 0.5
−0.02t=ln⁡0.5-0.02t = \ln 0.5
t=ln⁡0.5−0.02t = \frac{\ln 0.5}{-0.02}
t≈34.657t \approx 34.657

答案

34.734.7 days

9((b))((iii))

1. Convert the given time into the correct units (days)

t=1224=0.5t = \frac{12}{24} = 0.5 days

2. Differentiate the mass function with respect to time

dmdt=24(−0.02)e−0.02t=−0.48e−0.02t\frac{dm}{dt} = 24(-0.02)e^{-0.02t} = -0.48e^{-0.02t}

3. Evaluate the rate of change at $t = 0.5$ and state the rate of decrease

When t=0.5t = 0.5,
dmdt=−0.48e−0.02(0.5)=−0.48e−0.01≈−0.47522\frac{dm}{dt} = -0.48e^{-0.02(0.5)} = -0.48e^{-0.01} \approx -0.47522

The rate of decrease is 0.4750.475 g/day (to 3 s.f.).

答案

0.4750.475 g/day

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