一名“红狮”(Red Lion)跳伞运动员从直升机上跳下。他离开直升机时的速度为零,他的速度 满足微分方程
- (i)
用 表示 。由此求出跳伞员达到 的速度所用的准确时间。
- (ii)
根据该模型,解释跳伞员的速度最终会发生什么变化。
- (iii)
另一位红狮跳伞员从直升机上跳下并打开了他的降落伞。在打开降落伞的瞬间,他的速度为 。在打开降落伞 秒后,他的速度为 ,且满足微分方程
求用 表示 的表达式。
- (iv)
画出 关于 的函数图像。指出该跳伞员的速度将不会低于多少。
它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的
完整解法
10(i)
1. Integrate the differential equation to find the general solution for $v$.
2. Apply the initial condition to find the particular solution.
The skydiver leaves with zero speed, so when , .
Therefore,
3. Substitute $v = 10$ to find the exact time taken to reach $10\text{ ms}^{-1}$.
Taking the natural logarithm on both sides:
seconds
10(ii)
1. Derive the expression for $v$ in terms of $t$ (required from part i).
Given when , .
Thus, .
2. Evaluate the limit of $v$ as $t \to \infty$ to determine the eventual speed.
As , .
Therefore, .
The speed of the skydiver will eventually approach .
10(iii)
1. Separate the variables to set up the integral.
2. Express the integrand using partial fractions.
Substituting
Substituting
3. Integrate both sides to obtain an equation relating $w$ and $t$.
4. Use the initial condition to find the constant of integration.
Given when :
5. Solve for $w$ to express it explicitly in terms of $t$.
10(iv)
1. Concisely find $w$ in terms of $t$ (result of part iii) to determine the shape of the graph.
Separating the variables from :
Using :
Rearranging for :
2. Determine the initial value and the horizontal asymptote to sketch the graph.
From the initial condition, the -intercept is .
To find the long-term behaviour, take the limit as :
As , .
Thus, is a horizontal asymptote. The graph is a smooth curve starting at and continually decreasing, tending towards from above.
3. State the speed that the skydiver will not fall below.
From the sketch and asymptotic behaviour, the velocity approaches but never goes below it.
Therefore, the skydiver will not fall below .
Graph Sketch: A smooth decreasing curve starting at the -intercept and approaching the horizontal asymptote as .
Speed:
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