高三上∫ 微積分
相關變化率
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公式
找出關係式 → 兩邊對時間 t 微分 → 代入瞬間值
兩個量有關係,變化速度也有關係。關鍵是「先微分完再代數字」。
白話解釋
氣球充氣時半徑在變,體積也跟著變。已知半徑的變化率,能不能求體積的變化率?這類問題叫**相關變化率**。
解題有固定四步: **一、寫出兩量的關係式**(幾何公式、畢氏定理、相似形等)。 **二、兩邊同時對時間 t 微分**,用連鎖律。 **三、把瞬間的數值代進去**。 **四、檢查單位與正負號**(變小的量變化率是負的)。
以球形氣球為例:V = (4/3)πr³。兩邊對 t 微分得 **dV/dt = 4πr²·(dr/dt)**。所以只要知道當下的 r 和 dr/dt,就能算出 dV/dt。
這裡有一個絕對不能違反的原則:**先微分,再代入數值**。如果一開始就把 r = 5 代進 V = (4/3)πr³,會得到一個常數 500π/3,微分後是 0——結論變成「體積不變」,完全錯誤。
變數必須保持是變數,直到微分完成為止。只有那些**永遠不變**的量(例如固定的梯子長度、漏斗的半徑高度比)才能在微分前代入。
這是相關變化率唯一但最致命的陷阱。
什麼時候用
梯子滑落、水位上升、影子長度、氣球膨脹、雷達測速。
最容易錯的地方
- 在微分之前就把變數代成數值。
- 忘記對時間微分時要用連鎖律。
- 減少的量沒有寫成負的變化率。
例題 · 3 題
先自己算,再看解答——這樣才有效。
- 1
V = (4/3)πr³,dV/dr = ?(形如 4πr^2)
- 2
正方形邊長以 2 cm/s 增加,邊長 5 cm 時面積變化率是多少 cm²/s?
- 3
圓半徑以 3 cm/s 增加,半徑 4 cm 時周長變化率是多少 cm/s?(用 π 的倍數,填係數)