Bỏ qua nội dung

C.12 · Related rates and removable quotient limits

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Chủ đề 30

30

Phạm vi và yêu cầu tiên quyết

Chuẩn bị GRE đại học. Mục tiêu cục bộ nằm trong phạm vi ETS đã xem xét; đây là giảng dạy nguyên bản, không phải bài thi chính thức hoặc dự đoán điểm số.

Kiến thức nền tảng: Quy tắc chuỗi, tiết diện tròn và giới hạn.

  • Chuyển đổi tốc độ hình học thành đạo hàm của đại lượng liên quan
  • Suy ra và vi phân công thức thể tích mũ cầu
  • Tách biệt phần mở rộng liên tục của thương khỏi phần mở rộng khả vi

tốc độ liên quan: Tốc độ thu được bằng cách vi phân mối quan hệ giữa các đại lượng biến thiên.

giới hạn có thể loại bỏ: Một giới hạn hữu hạn gần đó được sử dụng để điền vào giá trị hàm bị thiếu sao cho liên tục.

Từ vựng Luyện tập
English Tiếng Việt
related rate/rɪˈleɪtɪd reɪt/ Tốc độ thay đổi liên quan
removable limit/rɪˈmuːvəbl ˈlɪmɪt/ giới hạn có thể loại bỏ
30

Chọn và biện minh cho một phương pháp

Đối với đại lượng V phụ thuộc vào độ sâu h(t) đang thay đổi, quy tắc chuỗi cho dV/dt=V′(h) dh/dt. Một bể chứa đang xả nước có dh/dt<0, do đó dV/dt mang dấu âm; độ lớn dòng chảy ra là giá trị âm của nó. Vẽ hình học và gọi tên độ sâu tức thời trước khi thay số. Đừng coi tốc độ như một thể tích tĩnh chia cho thời gian trôi qua trừ khi tình huống thực sự chỉ định một tốc độ trung bình không đổi.

Một bồn cầu hình cầu bán kính R có tiết diện tại độ sâu h từ đáy là bình phương bán kính tiết diện R²−(R−h)²=2Rh−h². Tích phân các diện tích tròn này cho thể tích phần nón V(h)=π(Rh²−h³/3), với 0≤h≤2R. Đạo hàm của nó π(2Rh−h²) chính là diện tích tiết diện tức thời. Tại R=3, h=1, dh/dt=−1/4, tốc độ thay đổi thể tích có dấu là −5π/4 và độ lớn dòng chảy ra là 5π/4. Công thức này áp dụng được cho cả phần nón nông và sâu trong khoảng nêu trên.

Nếu f và g khả vi liên tục gần zero, f(0)=g(0)=0 và g′(0)≠0, thì f(x)/g(x) tiến tới f′(0)/g′(0). Điều này suy ra từ f(x)=f′(0)x+o(x) và g(x)=g′(0)x+o(x); tính liên tục của g′ giữ cho thương xác định gần đó ngoại trừ tại zero. Điền vào giới hạn này sẽ tạo ra một sự mở rộng liên tục. Lập luận này không yêu cầu f′(0) khác không, và nó cũng không chứng minh thương mở rộng là khả vi.

Với f(x)=x|x| và g(x)=x, cả hai đều khả vi liên tục, f(0)=g(0)=0 và g′(0)=1. Thương của chúng với x≠0 là |x|, mở rộng liên tục tại 0 nhưng có đạo hàm trái-phải không bằng nhau tại đó. Với (f²−f)/(2g−g³), phân tích thành (f/g)(f−1)/(2−g²); giới hạn có thể loại bỏ là −f′(0)/(2g′(0)). Các thừa số phụ tiến tới −1 và 2. Phân biệt giới hạn của thương với đạo hàm của sự mở rộng.

30

Ví dụ giải thích chi tiết

Đối với sphere có R=3 và độ sâu h=1, diện tích tiết diện là π(6−1)=5π. Sự giảm độ sâu 1/4 mỗi đơn vị thời gian do đó loại bỏ thể tích với độ lớn 5π/4 mỗi đơn vị thời gian. Đối với f(x)=sin(2x), g(x)=3x, thương mở rộng tại 0 với giá trị 2/3. Giới hạn này nói lên gì về kích thước của bể và không nên được thay thế như một tốc độ đạo hàm mà chưa xác định được các đại lượng phụ thuộc.

Trái: hình cầu bán kính 3 cắt 1 đơn vị phía trên điểm thấp nhất. Phải: x|x|/x, với khoảng trống tại 0 được lấp đầy
The cross-section at h = 1 has radius² = 9 − 2² = 5, so area 5π
30

Điều kiện và phản ví dụ

Sử dụng diện tích tiết diện tức thời, không phải diện tích bề mặt bể chứa. Báo cáo sự thay đổi thể tích có dấu hoặc dòng chảy ra dương theo yêu cầu. Một giới hạn thương hữu hạn có thể loại bỏ thiết lập tính liên tục, chứ không phải tính khả vi của thương đã được điền đầy đủ.

30

Ứng dụng hướng dẫn

Bình chứa hình cầu có bán kính 2 m và độ sâu nước h đo từ đáy. Thiết lập V(h). Tại h=1 m và $dh/dt=-0.1\ \mathrm{m/min}$, tìm biến thiên thể tích có dấu và độ lớn dòng chảy ra.

Giải mẫu

Tại độ sâu s, bán kính mặt cắt tuân theo $r(s)^2=2Rs-s^2$. Tích phân các đĩa cho $V(h)=\pi(Rh^2-h^3/3)$ khi $0\le h\le2R$.

$$\frac{dV}{dt}=\pi(2Rh-h^2)\frac{dh}{dt}.$$
$$\frac{dV}{dt}=\pi[2(2\ \mathrm m)(1\ \mathrm m)-(1\ \mathrm m)^2](-0.1\ \mathrm{m/min})=-0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}.$$
Độ lớn dòng chảy ra là $0.3\pi\ \mathrm{m^3/min}$. Dấu chỉ sự mất nước đã lưu trữ, không phải dòng chảy ra âm về mặt vật lý.

30

Chuyển giao độc lập

Giả sử f,g khả vi liên tục gần 0, $f(0)=g(0)=0$, $f'(0)=4$, $g'(0)=2$. Tìm giới hạn có thể triệt tiêu của $(f^2-f)/(2g-g^3)$. Những giả thiết này có suy ra tính khả vi của thương mở rộng không? Hãy đưa ra ví dụ phản chứng cho implikasi chung này.

Kiểm tra sau khi đã làm

Since g'(0) is nonzero, the denominator is nonzero near zero except at zero. Factor the expression as $(f/g)(f-1)/(2-g^2)$. Its limit is $(4/2)(-1)/2=-1$. First-order differentiability gives $f/g\to f'(0)/g'(0)$; it does not give second-order control. For a counterexample preserving these derivatives, take $f(x)=4x+x|x|$ and $g(x)=2x$. They are continuously differentiable. For nonzero x the quotient becomes $(2+|x|/2)(-1+4x+x|x|)/(2-4x^2)$. Its expansion is $-1+4x-|x|/4+O(x^2)$, giving different one-sided derivatives. Thus the extension is continuous but not differentiable.

Bài học tương tác về chủ đề này

Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.

Nhiều chủ đề hơn trong GRE Subject Test · GRE Mathematics

Đăng nhập hoặc tạo tài khoản

IGCSE, A-Level & AP