当上述半球形碗中的水深为 xx cm 时,水的体积 V cm3V\text{ cm}^3 由 V=13πx2(18−x)V = \frac{1}{3}\pi x^2 (18 - x) 给出。起初碗是空的。以恒定的速率向碗中注水 9 秒后,水深为 4.5 cm。

  1. (a)

    用 π\pi 表示体积的恒定变化率。

  2. (b)

    求当水深为 4.5 cm 时,水位上升的速率。

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完整解法

7(a)

1. Calculate the volume of water when the depth is 4.5 cm.

When x=4.5x = 4.5,
V=13π(4.5)2(18−4.5)V = \frac{1}{3}\pi (4.5)^2 (18 - 4.5)
V=13π(20.25)(13.5)V = \frac{1}{3}\pi (20.25)(13.5)
V=91.125π cm3V = 91.125\pi \text{ cm}^3

2. Calculate the constant rate of change of volume.

Since the water is poured at a constant rate and the bowl was initially empty, the rate of change of volume is ΔVΔt\frac{\Delta V}{\Delta t}.
dVdt=91.125π−09−0\frac{dV}{dt} = \frac{91.125\pi - 0}{9 - 0}
dVdt=10.125π cm3/s\frac{dV}{dt} = 10.125\pi \text{ cm}^3/\text{s}

答案

10.125π cm3/s10.125\pi \text{ cm}^3/\text{s}

7(b)

1. Find the constant rate of change of volume, $\frac{dV}{dt}$ (from part a)

When x=4.5x = 4.5, V=13π(4.5)2(18−4.5)=91.125πV = \frac{1}{3}\pi (4.5)^2 (18 - 4.5) = 91.125\pi.
Since the rate is constant and the bowl was initially empty, dVdt=91.125π9=10.125π\frac{dV}{dt} = \frac{91.125\pi}{9} = 10.125\pi.

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

V=6πx2−13πx3V = 6\pi x^2 - \frac{1}{3}\pi x^3
dVdx=12πx−πx2\frac{dV}{dx} = 12\pi x - \pi x^2

3. Evaluate $\frac{dV}{dx}$ at $x = 4.5$

When x=4.5x = 4.5,
dVdx=12π(4.5)−π(4.5)2=54π−20.25π=33.75π\frac{dV}{dx} = 12\pi (4.5) - \pi (4.5)^2 = 54\pi - 20.25\pi = 33.75\pi

4. Use the chain rule to find $\frac{dx}{dt}$

dVdt=dVdx×dxdt\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dx} \times \frac{dx}{dt}
10.125π=33.75π×dxdt10.125\pi = 33.75\pi \times \frac{dx}{dt}
dxdt=10.125π33.75π=0.3\frac{dx}{dt} = \frac{10.125\pi}{33.75\pi} = 0.3

答案

0.3 cm/s0.3\text{ cm/s}

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