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设三维空间中一容器由平面z=0,z=1及介于它们之间的曲面S所围成。过z轴上任意一点(0,0,z)(0≤z≤1)作垂直于z轴的平面,与该容器截的水平面为D(z),该截面是半径为r(z)=的圆面。若以每秒3单位体积的均匀速度往该容器内注水,并假设开始时容器是
设三维空间中一容器由平面z=0,z=1及介于它们之间的曲面S所围成。过z轴上任意一点(0,0,z)(0≤z≤1)作垂直于z轴的平面,与该容器截的水平面为D(z),该截面是半径为r(z)=的圆面。若以每秒3单位体积的均匀速度往该容器内注水,并假设开始时容器是
admin
2019-12-06
59
问题
设三维空间中一容器由平面z=0,z=1及介于它们之间的曲面S所围成。过z轴上任意一点(0,0,z)(0≤z≤1)作垂直于z轴的平面,与该容器截的水平面为D(z),该截面是半径为r(z)=
的圆面。若以每秒3单位体积的均匀速度往该容器内注水,并假设开始时容器是空的。
(Ⅰ)写出注水过程中t时刻水面高度z=z(t)与相应的水体积V=V(t)之间的关系式;
(Ⅱ)求水表面上升速度最大时的水面高度;
(Ⅲ)求灌满容器所需的时间。
选项
答案
(Ⅰ)由题意得,t时刻注人容器中水的体积为3t,设此时水面高度为z(t),由截面已知的立体体积公式得 v(t)=∫
0
z(t)
D(z)dz=∫
0
z(t)
πr
2
(z)dz=π∫
0
z(t)
[(1-z)
2
+z
2
]dz, 依题意得π∫
0
z(t)
[(1-z)
2
+z
2
]dz=3t。 (Ⅱ)在(Ⅰ)中结论的两边对t求导得π[(1-z)
2
+z
2
][*]=3, 即[*], 因此求[*]的最大值即求f(z)=(1-z)
2
+z
2
在[0,1]上的最小值点。 由f’=2z-2(1-z) =2(2z-1)= [*] 可知,当z=1/2时,f(z)在[0,1]上取最小值,故z=1/2时水面上升速度最大。 (Ⅲ)灌满容器时体积为V(t)=∫
0
1
D(z)dz=π∫
0
z(t)
[(1-z)
2
+z
2
]dz=[*], 因此灌满容器所需的时间为[*]秒。
解析
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考研数学二
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