例子问题
例子问题1:计算变更率和相关率
直角三角形的边长相同而且它们的长度都随时间增加,这样:
a)求夹角的速率相反随时间变化。
直角三角形有长边而且它们的长度都随时间增加,这样:
求出角度的速率相反随时间变化。
a)首先,我们需要写一个角度的表达式作为函数.因为这个角是对边我们知道tan很简单.求正切的倒数:
现在我们需要求导.
回想一下反正切函数的一般导数是:
把这个应用到for函数上,记住使用链式法则,得到:
例子问题1:计算变更率和相关率
肥皂有时被用来确定工业管道的泄漏位置。一个完美的球形肥皂泡以.当气泡半径为时,气泡表面积的变化率是多少?
为了确定球形气泡表面积的变化率,我们必须把它和我们已知的东西联系起来体积的变化率。
球体的体积由以下公式给出:
体积的变化率由对时间的导数给出:
用以下规则求导数:
,
我们现在必须解出在指定半径处的半径变化率,以便稍后可以解出表面积变化率:
接下来,我们必须求出球面的表面积和表面积变化率,方法与上面相同:
把已知的表面积变化率代入到指定半径上,把这个半径代入到表面积变化率函数中,我们得到
例子问题3:计算变更率和相关率
披萨店的厨师正在把圆形面团擀平。面团的表面积(我们只考虑面团的顶部)正在以0.5英寸/秒的速度增加。当披萨的半径是4英寸时,披萨的直径变化有多快?
英寸/秒
英寸/秒
英寸/秒
英寸/秒
英寸/秒
英寸/秒
为了求出直径的变化率,我们必须把直径和我们已知的物体的变化率联系起来:表面积。
披萨面团顶部的表面积由
变化率可以通过对函数对时间求导得到:
求出半径在给定半径处的变化率,我们得到
英寸/秒
现在,我们将直径与披萨面团的半径联系起来:
对两边对时间求导,得到
代入已知的半径变化率在给定半径处,我们得到
英寸/秒
我们可以直接用直径来表示表面积公式,但是我们使用的方法更适用于相关变化率不那么容易处理的问题。
问题4:计算变更率和相关率
球形气球的体积以恒定的速率增加.在半径为3厘米时,气球周长的变化率是多少?
为了确定圆周在给定半径处的变化率,我们必须将圆周变化率与我们已知的体积变化率联系起来。
从球形气球的体积方程开始,
我们求函数对时间的导数,得到体积的变化率:
用以下规则求导数:
,
我们用链式法则求半径对时间的导数,因为我们知道它是时间的函数。
解利用我们已知的在给定的半径下,我们得到
现在,我们把这个变化率应用到周长的变化率上,我们通过对周长对时间求导得到:
通过代入已知的半径变化率来求解周长的变化率,我们得到
例5:计算变更率和相关率
当直角三角形的面积为2平方英寸时,求出直角三角形的对角变化率,直角三角形的长度以每分钟1英寸的速度增加,直角三角形的高为常数2英寸。
弧度/分钟
弧度/分钟
弧度/分钟
弧度/分钟
弧度/分钟
为了求出给定直角三角形底对边的夹角变化率,当三角形是一定面积时,我们必须把它与三角形底的变化率联系起来。
首先,我们必须确定直角三角形的底边在给定区域的长度:
现在,我们必须找出底的对角与底的长度和高度的关系,即角的正切:
为了求出角度的变化率,我们对两边对时间求导,记住三角形的底与时间有关,而高度是常数:
我们知道底边的变化率,我们可以从三角形的边求出夹角:
把这个和其他已知的信息代入解出与底相邻角的变化率,我们得到
弧度/分钟
例子问题6:计算变更率和相关率
汽车的位置由方程式给出
.
求出汽车的加速度.
求加速度,求二阶导.
,
.
汽车的位置在然后由:
示例问题7:计算变更率和相关率
半径为1单位的圆上有一点绕圆中心逆时针旋转。它每8秒绕一圈。火车有多快?当从原点到该点的线段,,形成一个角x轴正上方的弧度?
这是一个相关的利率问题。
因为题目给出了一个轨道的时间,我们可以求出这个点的角速度。角速度就是粒子在一秒内运动的弧度。我们把一圈的弧度除以,它转一圈的时间是8秒。
这就得到了角度随时间的变化量,.
现在我们需要把角度的位置,.回想一下,
,其中r为半径。
由于半径是一个单位,我们可以把这个方程写成
.
现在对两边求导时间,使用隐式微分。记住,对于任何不存在的变量,我们都使用链式法则.这给了,
.
现在我们有了一个公式,它与粒子在某一时刻的水平速度有关,,到x轴正上方的角度和角速度在同一时刻。我们要求求出x坐标变化的速度当的角度,是x轴正上方的弧度。我们代入为.然而,我们也需要知道.幸运的是,我们已经找到了。它是角速度,弧度/秒。
代入这个信息,我们得到
这就是答案。负号是有意义的,因为这个点是逆时针运动的。因此,当角度为时,它向左移动弧度。
例8:计算变更率和相关率
一名男子站在一架10英尺长的梯子的顶端,梯子靠在建筑物的一侧,这时梯子的底部开始从下面滑出。当梯子底部距离建筑物6英尺,以每秒2英尺的速度滑动时,站在梯子顶部的人下落的速度有多快?
这是一个相关的利率问题。梯子靠在建筑物的一侧形成一个直角三角形,10英尺的梯子是它的斜边。勾股定理,把这个三角形的三条边联系起来。让从梯子顶端到地面的高度。让是从梯子底部到建筑物的距离。因为10是斜边,我们有下面的等式。
把右边化简得到
自而且都是变量,我们要在求导之后再代入值。
问题是,站在梯子顶端的人下落的速度有多快当梯子的底部距离建筑物6英尺,并以2英尺/秒的速度滑动。这两个值,而且,只发生在某一瞬间。我们要求出方程在这个时间点的导数。
用隐微分求对时间的导数,我们得到
我们只关心那一瞬间而且.我们需要找出梯子顶端,也就是这个人,下降的速率。我们要解出.然而,我们需要知道是什么就是在这一瞬间,为了找到一个答案。幸运的是,勾股定理适用于所有时间点,所以我们可以用它来求这个特定的时刻.
因为我们处理的是物理距离,所以我们只用正8。
把所有的信息代入导数方程
负号是有道理的,因为人在往下掉,所以高度变小了。因此我们的答案是
问题9:计算变更率和相关率
汽车的速度由以下公式给出:
,在那里是以小时为单位的时间。
如果汽车从离家3英里的地方出发,4小时后它会有多远?
为了求出行进的总距离,速度函数必须从来小时:
最后一个问题是,这辆车离家有多远。在离家三英里的地方,所以在,它将是:
离家很远。