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114 台綜大微積分 C 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 C

114學年度 · 114微積分C · 第 4 題

題目

Problem

(10 points) Two particles, A,BA, B, initially start from origin (0,0)(0, 0), move along two straight lines with angle π6\frac{\pi}{6} between them. Particle AA is moving at a speed of 22, and particle BB is moving at a speed of 66. What is the rate of change of the distance between two particles, when particle AA is 11 unit from the starting point?

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題是典型的相關變率 (Related Rates) 問題。
  2. 兩質點 A,BA, B 從同一點出發,沿著夾角為 π/6\pi/6 的兩條射線運動。
  3. 設時間為 tt:
    • 質點 AA 的路程為 x(t)=2tx(t) = 2t。其速度為 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2。
    • 質點 BB 的路程為 y(t)=6ty(t) = 6t。其速度為 dydt=6\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6。
  4. 設兩質點之間的距離為 D(t)D(t)。根據餘弦定理 (Law of Cosines): D2=x2+y2−2xycos⁡(π6)=x2+y2−3xyD^2 = x^2 + y^2 - 2xy \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy
  5. 我們可以對等式兩邊關於 tt 求導以獲得 dDdt\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}。
  6. 極速代數技巧: 直接將 x=2tx=2t 且 y=6ty=6t 代入餘弦定理中,可以寫出 D(t)D(t) 作為 tt 的一次函數: D2(t)=(2t)2+(6t)2−3(2t)(6t)=(40−123)t2D^2(t) = (2t)^2 + (6t)^2 - \sqrt{3}(2t)(6t) = (40 - 12\sqrt{3})t^2 取根號後(因為 t>0t>0): D(t)=t40−123D(t) = t \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} 這說明距離變化率 dDdt=40−123\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} 是一個與時間無關的常數!不論 AA 距離起點多遠,變化率均相同。

答題過程

展開

設時間為 tt。由於兩質點從原點出發且均作等速直線運動:

  • 質點 AA 的移動距離為 x=2tx = 2t,其速度為 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2。
  • 質點 BB 的移動距離為 y=6ty = 6t,其速度為 dydt=6\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6。

我們利用餘弦定理計算兩質點之間的直線距離 DD。由於其軌跡夾角為 θ=π6\theta = \frac{\pi}{6}:

D2=x2+y2−2xycos⁡(π6)D^2 = x^2 + y^2 - 2xy\cos\left(\frac{\pi}{6}\right)

代入 cos⁡π6=32\cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}:

D2=x2+y2−3xy— (1)D^2 = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy \quad \text{--- (1)}

當質點 AA 距離起點 11 單位時:

x=2t=1  ⟹  t=12x = 2t = 1 \implies t = \frac{1}{2}

此時,質點 BB 的距離為:

y=6(12)=3y = 6\left(\frac{1}{2}\right) = 3

代入式 (1) 計算此時的距離 DD:

D2=12+32−3(1)(3)=10−33  ⟹  D=10−33D^2 = 1^2 + 3^2 - \sqrt{3}(1)(3) = 10 - 3\sqrt{3} \implies D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}}

對式 (1) 兩邊關於時間 tt 進行隱函數求導:

2DdDdt= 2xdxdt+2ydydt −3(ydxdt+xdydt)\begin{align*} 2D\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=&\, 2x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} +2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\[4mm] &\,-\sqrt3\Big( y\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} +x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\Big) \end{align*}

兩邊同除以 22 整理:

dDdt= 1D[xdxdt+ydydt −32(ydxdt+xdydt)]\begin{align*} \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=&\,\frac1D\Big[ x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} +y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\[4mm] &\,\hspace{2pt}-\frac{\sqrt3}{2}\Big( y\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} +x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\Big)\Big] \end{align*}

將 x=1,y=3,D=10−33x=1, y=3, D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}} 以及 dxdt=2,dydt=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=6 代入上式:

dDdt= 110−33[(1)(2)+(3)(6) −32((3)(2)+(1)(6))]= 110−33[2+18−32(12)]= 20−6310−33= 2(10−33)10−33= 210−33\begin{align*} \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=&\, \frac1{\sqrt{10-3\sqrt3}}\Big[(1)(2)+(3)(6) \\[4mm] &\,\hspace{2pt}-\frac{\sqrt3}{2}\big((3)(2)+(1)(6)\big)\Big] \\[4mm] =&\, \frac{1}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \left[ 2 + 18 - \frac{\sqrt{3}}{2}(12) \right] \\[4mm] =&\, \frac{20 - 6\sqrt{3}}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \\[4mm] =&\, \frac{2\big(10 - 3\sqrt{3}\big)}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \\[4mm] =&\,2\sqrt{10 - 3\sqrt{3}} \end{align*}

結論: 距離變化率為 210−332\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}。