Mục lục bài họcĐang ở d08-b4
← AP Calculus AB
0/32 bài đã học xong
Chương 8 · Unit 8 — Applications of Integration · Bài 4/4 của chương · bài 32/32 của AP Calculus AB

Rate In, Rate Out: Accumulation in Context

Tốc độ vào, tốc độ ra: tích luỹ trong bài toán thực tế
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

The amount is the start plus the net accumulation

$$A(t)=A(0)+\int_0^t\big[R_{\text{in}}(s)-R_{\text{out}}(s)\big]\,ds$$

Water in a tank, people in a queue, sand on a beach: whenever the problem gives rates, the amount at time $t$ is the start plus the integral of the net rate. On its own, $\displaystyle\int_a^b R_{\text{in}}(t)\,dt$ is "the total amount that entered between $t=a$ and $t=b$" — a standard interpretation question, units included.

Four questions, one derivative

Because $A'(t)=R_{\text{in}}(t)-R_{\text{out}}(t)$:

  • Increasing at $t_0$? Yes if $R_{\text{in}}(t_0)\gt R_{\text{out}}(t_0)$.
  • Greatest amount? Solve $R_{\text{in}}=R_{\text{out}}$, then argue $A'$ changes from positive to negative, or compare candidates including endpoints.
  • Amount at $T$? The formula above; on the calculator section store intermediate values, round only the final answer to three decimals.
  • Empty? Solve $A(t)=0$.

Worked example: a tank holds $50$ L at $t=0$; water enters at $R_{\text{in}}(t)=6$ L/min and leaves at $R_{\text{out}}(t)=\dfrac{t^2}{3}$ L/min for $0\le t\le6$. Amount at $t=6$: $50+\displaystyle\int_0^6\left(6-\frac{t^2}{3}\right)dt=50+\left[6t-\frac{t^3}{9}\right]_0^6=50+36-24=62$ L. Maximum: $6=\dfrac{t^2}{3}\Rightarrow t=\sqrt{18}\approx4.243$; $A'$ changes from positive to negative there, so the maximum is $A(\sqrt{18})=50+4\sqrt{18}\approx66.971$ L.

Giải thích tiếng Việt

Lượng = ban đầu + tích luỹ ròng: $A(t)=A(0)+\int_0^t\big[R_{\text{vào}}-R_{\text{ra}}\big]$. Hễ đề cho tốc độ thì lượng tại thời điểm $t$ luôn theo khuôn này. Riêng $\int_a^b R_{\text{vào}}(t)\,dt$ là “tổng lượng đã chảy vào từ $t=a$ đến $t=b$” — câu diễn giải kèm đơn vị hỏi năm nào cũng có.

Vì $A'(t)=R_{\text{vào}}-R_{\text{ra}}$ nên bốn câu hỏi quen thuộc quy về một đạo hàm:

  • Tăng hay giảm tại $t_0$? So sánh hai tốc độ tại $t_0$.
  • Lớn nhất khi nào? Giải $R_{\text{vào}}=R_{\text{ra}}$, rồi lập luận $A'$ đổi dấu $+\to-$ hoặc so ứng viên kể cả đầu mút.
  • Lượng tại $T$? Thay vào công thức; máy tính thì lưu giá trị trung gian, làm tròn dòng cuối.
  • Khi nào cạn? Giải $A(t)=0$.

Ví dụ: bể có $50$ L, vào $6$ L/phút, ra $\dfrac{t^2}{3}$ L/phút trên $[0,6]$: lượng tại $t=6$ là $50+36-24=62$ L; lớn nhất tại $t=\sqrt{18}\approx4.243$ phút vì $A'$ đổi dấu $+\to-$, giá trị $50+4\sqrt{18}\approx66.971$ L.

t (phút) L/phút √18 ≈ 4,24 6 6 R vào = 6 vào > ra ⇒ A′ > 0, lượng tăng ra > vào lượng giảm R ra = t²/3 Giao điểm = lúc lượng nước LỚN NHẤT (A′ đổi dấu + → −)
Hai đường tốc độ, không phải đường lượng nước. Đường xanh là tốc độ vào (hằng $6$), đường đỏ là tốc độ ra $\dfrac{t^2}{3}$. Chừng nào xanh còn nằm trên đỏ thì $A'\gt0$ — bể đang đầy lên, và phần diện tích xanh lá là lượng nước ròng đã thêm vào. Giao điểm $t=\sqrt{18}$ là lúc lượng nước lớn nhất: đó là câu hỏi “at what time is the amount of water greatest”, trả lời bằng giải $R_{\text{vào}}=R_{\text{ra}}$ chứ không phải tìm đỉnh của đường nào trên hình. Sau giao điểm, phần đỏ là lượng bị mất đi.
Ví dụ — bơm vào, xả ra và lượng nhỏ nhất

Lúc $t=0$ một bể chứa $30$ gallon. Trong $0\le t\le8$ giờ, nước được bơm vào với tốc độ $P(t)=3t$ gallon/giờ và xả ra với tốc độ $D(t)=12$ gallon/giờ. (a) Lượng nước tại $t=2$ đang tăng hay giảm? Giải thích. (b) Tính lượng nước tại $t=8$. (c) Tìm thời điểm lượng nước nhỏ nhất trên $[0,8]$ và giá trị đó. (d) Diễn giải $\displaystyle\int_0^8 D(t)\,dt=96$ kèm đơn vị.

Giải.

(a) $A'(2)=P(2)-D(2)=6-12=-6\lt0$. Since the rate out exceeds the rate in at $t=2$, the amount is decreasing.

(b) $A(8)=30+\displaystyle\int_0^8(3t-12)\,dt=30+\left[\frac32t^2-12t\right]_0^8=30+96-96=30$ gallon.

(c) $A'(t)=3t-12=0$ tại $t=4$. Since $A'$ changes from negative to positive at $t=4$, $A$ has a local minimum there. Ứng viên: $A(0)=30$, $A(4)=30+24-48=6$, $A(8)=30$ ⇒ nhỏ nhất $6$ gallon tại $t=4$ giờ.

(d) $\displaystyle\int_0^8 D(t)\,dt=96$ là tổng lượng nước đã xả ra khỏi bể trong $8$ giờ đầu, đơn vị gallon — tích phân của tốc độ là lượng.

Bẫy hay mất điểm —

Một: hỏi “lượng nước tại $t=8$” mà trả lời tốc độ ròng tại $t=8$, hoặc trả lời tích phân mà quên cộng lượng ban đầu $A(0)$. Hai: tìm lượng lớn nhất chỉ giải $R_{\text{vào}}=R_{\text{ra}}$ rồi dừng — thiếu câu “$A'$ đổi dấu” hoặc thiếu so với đầu mút là mất điểm lập luận; có bài cực trị thật nằm ở đầu mút. Ba: đơn vị: tốc độ là gallon/giờ, tích phân của tốc độ là gallon. Bốn: phần máy tính, làm tròn giá trị trung gian rồi tính tiếp cho ra đáp số lệch khỏi khoảng chấp nhận — lưu vào biến, chỉ làm tròn dòng cuối.

Phải nhớ —

Lượng = ban đầu + tích phân của (vào − ra). Tăng hay giảm: so hai tốc độ. Lớn nhất/nhỏ nhất: giải vào = ra, nói rõ $A'$ đổi dấu, không quên đầu mút. Tích phân của tốc độ là lượng, kèm đơn vị đúng.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 8 — Applications of Integration gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →