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C.12 · Taux de variation et limites quotients amovibles

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Sujet 30

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Champ d'application et prérequis

Préparation GRE niveau universitaire. Objectifs locaux dans le périmètre ETS examiné ; il s'agit d'un enseignement original, pas d'un test officiel ni d'un prédicteur de score.

Prérequis : Règle de chaîne, sections circulaires et limites.

  • Traduire un taux géométrique en une dérivée de la quantité pertinente
  • Dériver et différentier une formule de volume de calotte sphérique
  • Séparer l'extension continue du quotient de l'extension différentiable

taux lié : Taux obtenu en différenciant la relation entre des quantités variables.

limite supprimable : Limite finie voisine servant à combler une valeur fonctionnelle manquante de manière continue.

Vocabulaire Entrainer
English Français
related rate/rɪˈleɪtɪd reɪt/ taux liés
removable limit/rɪˈmuːvəbl ˈlɪmɪt/ limites amovibles
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Choisir et justifier une méthode

Pour une grandeur V dépendant d'une profondeur h(t) variable, la règle de chaîne donne dV/dt=V′(h) dh/dt. Un réservoir qui se vide a dh/dt<0, donc le taux de variation signed de V est négatif ; son module d'écoulement sortant est l'opposé. Tracer la géométrie et nommer la profondeur instantanée avant de substituer les nombres. Ne pas traiter ce taux comme un volume statique divisé par le temps écoulé, sauf si la situation spécifie explicitement un taux moyen constant.

Un réservoir sphérique de rayon R a une section transversale de rayon carré R²−(R−h)²=2Rh−h² à la profondeur h depuis le fond. L'intégration de ces aires circulaires donne le volume du cap V(h)=π(Rh²−h³/3), pour 0≤h≤2R. Sa dérivée π(2Rh−h²) est l'aire de la section transversale actuelle. À R=3, h=1, dh/dt=−1/4, le taux de volume signé est −5π/4 et le débit sortant en magnitude 5π/4. La formule fonctionne pour les caps peu profonds et profonds dans la plage spécifiée.

Si f et g sont continûment différentiables près de zéro, f(0)=g(0)=0 et g′(0)≠0, alors f(x)/g(x) tend vers f′(0)/g′(0). Cela découle de f(x)=f′(0)x+o(x) et g(x)=g′(0)x+o(x) ; la continuité de g′ maintient le quotient défini à proximité sauf en zéro. Remplir cette limite donne une extension continue. L'argument ne nécessite pas f′(0) non nul, et il ne prouve pas que le quotient étendu soit différentiable.

Pour f(x)=x|x| et g(x)=x, tous deux sont continûment différentiables, f(0)=g(0)=0 et g′(0)=1. Leur quotient pour x≠0 est |x|, qui s'étend continuellement en zéro mais possède des dérivées latérales inégales là. Pour (f²−f)/(2g−g³), factoriser en (f/g)(f−1)/(2−g²) ; sa limite supprimable est −f′(0)/(2g′(0)). Des facteurs supplémentaires tendent vers −1 et 2. Distincter la limite du quotient de la dérivée de son extension.

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Raisonnement worked

Pour une sphère avec R=3 et profondeur h=1, l'aire de section est π(6−1)=5π. Une diminution de profondeur de 1/4 par unité de temps retire donc du volume à la magnitude 5π/4 par unité de temps. Pour f(x)=sin(2x), g(x)=3x, le quotient s'étend en zéro avec la valeur 2/3. Cette limite ne dit rien sur la taille d'un réservoir et ne doit pas être substituée comme un taux de dérivée sans identifier les quantités dépendantes.

Gauche : sphère de rayon 3 coupée 1 unité au-dessus de son point le plus bas. Droite : x|x|/x, avec le trou à 0 comblé
La section transversale à h = 1 a pour rayon ² = 9 − 2² = 5, donc l'aire est 5π
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Conditions et contre-exemples

Utilisez l'aire de section transversale instantanée, pas l'aire totale de surface du réservoir. Rapportez un changement de volume signé ou un écoulement sortant positif selon la demande. Une limite de quotient amovible finie établit la continuité, pas la différentiabilité du quotient rempli.

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Application guidée

Un réservoir sphérique a un rayon de 2 m et la profondeur d'eau h est mesurée depuis son fond. Déduire V(h). À h=1 m et $dh/dt=-0.1\ \mathrm{m/min}$, trouver le changement de volume signé et l'amplitude du débit sortant.

Solution détaillée

À la profondeur s, le rayon de la section transversale obéit à $r(s)^2=2Rs-s^2$. L'intégration des disques donne $V(h)=\pi(Rh^2-h^3/3)$ pour $0\le h\le2R$.

$$\frac{dV}{dt}=\pi(2Rh-h^2)\frac{dh}{dt}.$$
$$\frac{dV}{dt}=\pi[2(2\ \mathrm m)(1\ \mathrm m)-(1\ \mathrm m)^2](-0.1\ \mathrm{m/min})=-0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}.$$
Le module d'écoulement sortant est $0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}$. Le signe décrit la perte d'eau stockée, pas un écoulement sortant physiquement négatif.

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Transfert indépendant

Supposons que f et g sont continûment différentiables près de zéro, $f(0)=g(0)=0$, $f'(0)=4$, $g'(0)=2$. Trouver la limite amovible de $(f^2-f)/(2g-g^3)$. Ces hypothèses impliquent-elles la différentiabilité du quotient étendu ? Donner un contre-exemple à cette implication générale.

Vérification après tentative

Puisque g'(0) est non nul, le dénominateur est non nul à proximité de zéro, sauf en zéro. Factoriser l'expression comme $(f/g)(f-1)/(2-g^2)$. Sa limite est $(4/2)(-1)/2=-1$. La différentiabilité au premier ordre donne $f/g\to f'(0)/g'(0)$ ; elle ne fournit pas de contrôle du second ordre. Pour un contre-exemple préservant ces dérivées, prenez $f(x)=4x+x|x|$ et $g(x)=2x$. Ils sont de classe C¹. Pour x non nul, le quotient devient $(2+|x|/2)(-1+4x+x|x|)/(2-4x^2)$. Son développement est $-1+4x-|x|/4+O(x^2)$, donnant des dérivées latérales différentes. Ainsi l'extension est continue mais pas différentiable.

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