このサイトはお使いのブラウザでは正常に動作しません。Google Chromeなど、別のブラウザを使用してください。
面積・体積の変化率
[問題]球形のゴム風船があり、半径が毎秒0.5cmの割合で伸びるように空気を入れる。半径0cmからふくらむとして、半径が5cmになった時のこの風船の表面積の、時間に対する変化率(cm^2/s)を求めよ。
[模範解答]風船がふくらみ始めてからt秒後の風船の半径をrcm、表面積をScm^2とすると
r=0.5t・・・①
S=4πr^2=4π(0.5t)^2=πt^2
よって ds/dt=π(t^2)'=2πt
r=5のとき①から 5=0.5t
したがって t=10
ゆえに、t=10におけるSの変化率は2π・10=20π(cm^2/s)
[自分の回答]
変化率を求めるので、表面積の変化は半径が0cm→5cmに10秒かけて増えていく。
だから、0cm^2→4π(5)^2=100π
時間の変化は0s→10s
変化率=100π-0π/10s-0s=10π
[質問]
どこが間違っているかご指摘いただきたいです。
半径0cmから膨らんだとしても表面積が0πではないから100π-0πのところがおかしそう。なら0cmの時の表面積はいくつになるんだ?とかそもそも微分自体の理解があやふやなんだろうけれど、どこが理解できていないかが自覚できていません。
調べてみたら変化率=微分係数=瞬間の変化のようなものが出てきて、それっぽい解説は何となく言ってることはわかるのですが、でもなんで今回の[自分の回答]が間違えているのか自らが指摘できない状態です。助けてくださいお願いします。
回答
加井 大介さん、こんにちは。お久しぶりですね!
さて、ここでいう変化率は「平均変化率」ではなく「瞬間変化率」です。
「半径が5cmになったときの(なった瞬間)」という言葉からわかります。
あなたは「スタートしてから5cmになるまでの間の平均変化率」を計算しています。
「速度」という言葉も同様で、t=6の時の速度と言われたらそれは瞬間速度のことで、それは道のりの微分係数で求まります。
この問題も、表面積をtの関数として求め、時間tで微分すると瞬間速度を表す導関数になるので、あとはt=10を代入しています。
これで大丈夫ですか?
これを読んだら、わかったとか、まだこのへんがわからないから説明してほしいとか、まえのようにコメント欄になにか返事をお願いしますね。
回答ありがとうございます ほとんど理解できたと思うのですが、一点質問があります。 ピンポイントでt=6の時の速度と聞かれれば瞬間の速度を聞いているという話に関しまして、自分にとってなじみがあるのは小学校の時に習った 速度=道のり/時間 この式の速度を瞬間速度と単位は同じようですが、おそらくこの式で求まるのは回答いただいた話でいうところの「平均変化率」だと思っています。全くの別物なのでしょうか?それとも何か関係性があるのでしょうか?
平均の速度(平均変化率)と瞬間速度(微分係数)とは別物です。平均の速度を求める「道のり÷所要時間」の計算の所要時間を限りなく0に近づけたときの値が瞬間速度(微分係数)です。だからこそ微分するのですね!
ありがとうございます。 非常によくわかりました。
それなら良かったです。またどうぞ。