[半径为 rr 的球体体积由 43πr3\frac{4}{3}\pi r^3 给出,半径为 rr 的球体表面积由 4πr24\pi r^2 给出。]

  1. (a)

    一个正在膨胀的球体体积以 5 cm3s−15\text{ cm}^3\text{s}^{-1} 的恒定变化率增加。证明在任何时刻,表面积的增加率为 kr cm2s−1\frac{k}{r}\text{ cm}^2\text{s}^{-1},其中 rr 是球体的半径, kk 是待定的常数。

  2. (b)

    求当表面积为 20 cm220\text{ cm}^2 时,膨胀球体表面积变化的精确变化率。

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完整解法

2(a)

1. Differentiate the given volume and surface area equations with respect to the radius.

V=43πr3  ⟹  dVdr=4πr2V = \frac{4}{3}\pi r^3 \implies \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 4\pi r^2
A=4πr2  ⟹  dAdr=8πrA = 4\pi r^2 \implies \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} = 8\pi r

2. Use the chain rule to relate the rate of change of volume to the rate of change of radius.

By the chain rule:
dVdt=dVdr×drdt\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} \times \frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}
Substitute the known values (dVdt=5\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t} = 5):
5=4πr2drdt5 = 4\pi r^2 \frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}
drdt=54πr2\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} = \frac{5}{4\pi r^2}

3. Use the chain rule to find the rate of change of surface area and determine $k$.

Apply the chain rule for surface area:
dAdt=dAdr×drdt\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} \times \frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}
Substitute dAdr\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} and drdt\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}:
dAdt=8πr(54πr2)\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t} = 8\pi r \left( \frac{5}{4\pi r^2} \right)
dAdt=40πr4πr2=10r\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t} = \frac{40\pi r}{4\pi r^2} = \frac{10}{r}
Comparing this result with dAdt=kr\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t} = \frac{k}{r}, we obtain k=10k = 10.

答案

k=10k = 10

2(b)

1. Determine the value of $k$ from part (a) to find the explicit formula for $\frac{dA}{dt}$.

Given dVdt=5\frac{dV}{dt} = 5.
Using V=43πr3V = \frac{4}{3}\pi r^3, dVdr=4πr2\frac{dV}{dr} = 4\pi r^2.
Using A=4πr2A = 4\pi r^2, dAdr=8πr\frac{dA}{dr} = 8\pi r.
By the chain rule:
dAdt=dAdr×drdt=dAdr×dVdtdVdr\frac{dA}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{dr}{dt} = \frac{dA}{dr} \times \frac{\frac{dV}{dt}}{\frac{dV}{dr}}
dAdt=8πr(54πr2)=10r\frac{dA}{dt} = 8\pi r \left( \frac{5}{4\pi r^2} \right) = \frac{10}{r}

2. Find the exact radius $r$ when the surface area is $20\text{ cm}^2$.

A=4πr2=20A = 4\pi r^2 = 20
r2=5πr^2 = \frac{5}{\pi}
r=5πr = \sqrt{\frac{5}{\pi}} (since r>0r > 0)

3. Calculate the exact rate of change of surface area.

Substitute r=5πr = \sqrt{\frac{5}{\pi}} into dAdt\frac{dA}{dt}:
dAdt=105π\frac{dA}{dt} = \frac{10}{\sqrt{\frac{5}{\pi}}}
dAdt=10π5=25π\frac{dA}{dt} = 10\sqrt{\frac{\pi}{5}} = 2\sqrt{5\pi}

答案

25π cm2s−12\sqrt{5\pi}\text{ cm}^2\text{s}^{-1}

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