Производная и ее применение в алгебре, геометрии, физике

Статья - Математика и статистика

Другие статьи по предмету Математика и статистика

сферы) лежит в плоскости боковой грани пирамиды, а вершины другого основания принадлежат сфере. Какой должна быть высота призмы, чтобы ее объем был наибольшим? Найти этот объем.

Решение. SABC правильная треугольная пирамида (рис), вписанная в сферу радиусом R,

SO*1,5 = AD,

LMN правильная четырехугольная призма.

Найти. Vпр = f(LM).

Пусть SO = H, тогда AD = 1,5H;

SO1 = R радиус сферы; LM = x высота призмы.

?SKO1 подобен ?SOD => O1K/OD = SO1/SD => OK1 = OD*SO1/SD.

Из ?AO1O: R2 = AO2 + O1O2 = (2AD/3)2 + (AD*2/3 - R)2,

R2 = 4AD2/9 + 4AD2/9 AD*R*4/3,

8AD2/9 = AD*R*4/3 => AD = 3R/2.

Отсюда OD = R/2;

AO1 = R и SO1 = R; _

SD = vR2 + R2/4 = Rv5/2, _

OK1 = 2*R*R/(2Rv5) = Rv5/5;

O1K = Rv5/5.

Из ?O1FN => R2 = (O1K + x)2 + NF2,

NF = vR2 R2/5 2x(v5)2/5 x2 ,

 

Sосн = 2NF2. _

Vпр = Sосн*x = 2(R2 R2/5 2xv5 R/5 - x2)*x;

Vпр = 2(4R2x/5 2x2v5 R/5 - x3);

Vпр(x) = 2(4R2/5 2xv5 R/5 - 3x2) = 0; _

x 1,2 = (2Rv5/5 + v4R2/5 + 12R2/5)/(-3) = (2Rv5/5 + 4R/v5)/(-3);

x = 2v5 R/15 _ _

Vпр.max = 2(4R2*2v5R/(5*15) 2v5R*4R2/(45*5) - _ 40v5R3/(225*15)) = 16R3v5(1 1/3 5/45)/75 = 16v5R3/135.

Ответ: 16v5R3/135 м3 при H = 2v5R/15.

 

 

Задача 9. В конус вписан цилиндр, одно из оснований которого лежит в плоскости основания конуса, а окружность другого основания принадлежит боковой поверхности конуса. Правильная четырехугольная призма расположена так, что ее нижнее основание лежит в плоскости верхнего основания цилиндра, вершины верхнего основания принадлежат боковой поверхности конуса. Отношение длины диагонали основания призмы к ее высоте равно отношению длины диаметра цилиндра к его высоте. При какой высоте цилиндра объем призмы будет наибольшим? Найти этот объем призмы, если высота конуса H и радиус основания R.

Дано. ASO конус;

SO = H;

AO = R;

CL/CM = BK/BN;

Найти. BN, чтобы Vпр = max

 

Решение. BN = x, CM = h, Vпр = Sосн CM = CL2h/2.

?CSD подобен ?ASO: CD/AO = SD/SO;

CD/R = (H x - h)/H;

CD = R(H x -h)/H.

?BSE подобен ?ASO: BE/AO = SE/SO;

BE/R = (H - h)/H;

BE = R(H - h)/H.

Находим отношение CD/BE = (H x - h)/(H - x).

Исходя из условия (CL/CM = BK/BN) задачи делаем вывод,

что CD/BE = h/x, т. е. (H x - h)/(H - x) = h/x => h = (Hx x2)/H

Тогда CD = R(H x (Hx x2)/H)/H = R(H2 Hx Hx +x2)/H2 = R(H - x)2/H2,

CL = 2CD = 2R(H - x)2/H2.

V = 4R2(H - x)4(H - x)x/(2H*H4) = 2R2(H - x)5x/H5;

V(x) = 2R2((H - x)5 5(H - x)4 x)/H5 = 0,

(H x) 5x = 0, x = H/6.

V = 2HR2(5H/6)5/(6H5) = 2R2H*55/66.

Ответ: при H/6, Vmax = 2R2H*55/66.

 

 

 

 

 

В физике производная применяется в основном для вычисления наибольших или наименьших значений для каких-либо величин.

 

 

Задача 1.Потенциальная энергия U поля частицы, в котором находится другая, точно такая же частица имеет вид: U = a/r2 b/r, где a и b положительные постоянные, r расстояние между частицами.

Найти:

а) значение r0 соответствующее равновесному положению частицы;

б) выяснить устойчиво ли это положение;

в) Fmax значение силы притяжения;

г) изобразить примерные графики зависимости U(r) и F(r).

 

U = a/r2 b/r; Решение:

a и b counts; Для определения r0 соответствующего равновесному

r0 ? положению частицы исследуем f = U(r) на экстремум.

Fmax ? Используя связь между потенциальной энергией поля

U и F, тогда F = -dU/dr, получим F = -dU/dr = - (-2a/r3+b/r2) = 0;

при этом r = r0; 2a/r3 = b/r2 => r0 = 2a/b;

Устойчивое или неустойчивое равновесие определим по знаку второй производной:

d2U/dr02= dF/dr0=-6a/r04 + 2b/r03 = -6a/(2a/b)4+2b/(2a/b)3=(-b4/8a3)<0;

равновесие устойчивое.

Для определения Fmax притяжения исследую на экстремумы функцию:

F = 2a/r3 b/r2;

dF/dr = -6a/r4 + 2b/ r3 = 0;

при r = r1 = 3a/b;

подставляя, получу Fmax = 2a/r31 b/r31 = - b3/27a2;

U(r) = 0; при r = a/b; U(r)min при r = 2, a/b = r0;

F = 0; F(r)max при r = r1 = 3a/b;

 

 

Задача 2. Три резистора сопротивлениями R1, R2, R3 соединены параллельно. Сопротивление R1 в 9 раз больше сопротивления R2. Если все три резистора соединить последовательно, то сопротивление цепи равно R.

Определ