変化率と積分②(水の量の変化)

引き続き水の量の変化の例題です。

 

(例題1)
容器の底にある穴から\(1\)秒間に流出する水の量は、水の深さの平方根に比例する。曲線 \(y=x^2\)  (\(0≦y≦a\), \(a>0\)) を\(y\)軸のまわりに1回転して得られる容器 (\(y\)軸は鉛直に保たれているものとする) の底から、1秒間に流出する水量は水の深さが \(a(cm)\) のとき \(v(cm^3)\) である。

(1)深さ \(\displaystyle\frac{a}{2}(cm)\) のとき水面の降下する速さを求めよ。
(2)満水の容器が空になるまでの所要時間を求めよ。

 

(解答)
(1)

水量の変化する速度 \(\displaystyle\frac{dV}{dt}\) と 水量 \(V=\displaystyle\int_{0}^{h}πx^2dy\) の2式から求めます。今回は水が流出しているので、\(V\)も水面の深さ\(h\)も時刻の経過で減少します。(速度は負の値になる)

水量 積分② 例題1

水の深さが\(a\)である(満水である)時刻を \(t=0\) として、\(t\)秒後の水量を\(V(t) (cm^3)\)、水の深さを\(h(cm)\) とする。

流出する水の量は、水の深さの平方根に比例するから\(k\)を正の定数として
\(\displaystyle\frac{dV}{dt}=-k\sqrt{h}\)・・・①
(題意に沿って\(-k\)が負になるようにしましたが、単に定数とおいても解くことができます)

条件より\(k\)の値を求めると、\(h=a\) のとき \(\displaystyle\frac{dV}{dt}=-v\) (符号がつくことに注意)だから
\(-v=-k\sqrt{a}\)
\(k=\displaystyle\frac{v}{\sqrt{a}}\)
これを①に代入すると
\(\displaystyle\frac{dV}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{\sqrt{a}}\cdot\sqrt{h}\)・・・②

また\(t\)秒後の体積\(V\)は、水深が\(h\)であるから
\(V=\displaystyle\int_{0}^{h}πx^2dy\)
\(V=\displaystyle\int_{0}^{h}πydy\)
(このまま積分計算してもよいが、\(\displaystyle\frac{dV}{dt}\) が欲しいので微分します)

両辺\(t\)で微分すると
\(\displaystyle\frac{dV}{dt}=πh\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}\)・・・③

②③より
\(πh\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{\sqrt{a}}\cdot\sqrt{h}\)
よって \(h>0\) のとき
\(\displaystyle\frac{dh}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}\cdot\displaystyle\frac{1}{\sqrt{h}}\)・・・④

したがって深さ \(\displaystyle\frac{a}{2}(cm)\) のとき水面の降下する速さは、④に\(h=\displaystyle\frac{a}{2}\)を代入して絶対値をとると
\(\left|\displaystyle\frac{dh}{dt}\right|=\left|-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}\cdot\displaystyle\frac{1}{\sqrt{\displaystyle\frac{a}{2}}}\right|\)

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{2}v}{πa}(cm/秒)\)

 

(2)

微分方程式④(変数分離型)から、\(h\)と\(t\)の関係式が得られます。容器が空のとき \(h=0\) です。

(1)の④より
\(\sqrt{h}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}\)

両辺\(t\)で積分(不定積分)すると
\(\displaystyle\int\sqrt{h}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}dt=\displaystyle\int(-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}})dt\)

左辺は置換積分により
\(\displaystyle\int\sqrt{h}\ dh=\displaystyle\int(-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}})dt\)

\(\displaystyle\frac{2}{3}h^{\frac{3}{2}}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}t+C\)

\(t=0\) のとき \(h=a\) (満水) なので
\(\displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}=C\)

よって
\(\displaystyle\frac{2}{3}h^{\frac{3}{2}}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}t+\displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}\)

したがって容器が空になる時刻は、\(h=0\) を代入して・・・(注)
\(0=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}t+\displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}\)

\(t=\displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}\cdot\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\)

\(=\displaystyle\frac{2πa^2}{3v}(秒)\)

(注)
途中から\(h>0\) で処理していますが、\(h \to +0 \) として  \(t\)の連続性により\(h=0\) を代入しています。

(参考)
空になる時刻は定積分を用いても解くことができます。
\(\sqrt{h}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}\)

容器が空になる時刻を\(T\)として、積分区間を\(0\)から\(T\)として\(t\)で積分すると
\(\displaystyle\int_{0}^{T}\sqrt{h}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}dt=\displaystyle\int_{0}^{T}(-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}})dt\)

左辺は置換積分により
(積分区間の対応に注意。\(t=0\) のときは満水だから\(h=a\)、\(t=T\)のときは空だから\(h=0\))
\(\displaystyle\int_{a}^{0}\sqrt{h}\ dh=\displaystyle\int_{0}^{T}(-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}})dt\)

よって
\(T=\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\displaystyle\int_{0}^{a}\sqrt{h}\ dh\)

\(=\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\cdot \displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}\)

\(=\displaystyle\frac{2πa^2}{3v}\)

 

(別解)逆関数の微分を利用
\(\displaystyle\frac{dh}{dt}=-\displaystyle\frac{v}{π\sqrt{a}}\cdot\displaystyle\frac{1}{\sqrt{h}}\)・・・④
より
\(\displaystyle\frac{dt}{dh}=-\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\cdot\sqrt{h}\)
\(h\)で積分して
\(t=\displaystyle\int(-\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\cdot\sqrt{h})dh\)

\(=-\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\cdot\displaystyle\frac{2}{3}h^{\frac{3}{2}}+C\)・・・⑤

\(t=0\) のとき \(h=a\) だから
\(0=-\displaystyle\frac{π\sqrt{a}}{v}\cdot\displaystyle\frac{2}{3}a^{\frac{3}{2}}+C\)

\(C=\displaystyle\frac{2πa^2}{3v}\)

よって空になる時刻は⑤で\(h=0\)として
\(t=C=\displaystyle\frac{2πa^2}{3v}\)

 

 

 

(例題2)
\(H>0\),\(R>0\) とする。座標空間内において、原点\(O\)と点\(P(R,0,H)\)を結ぶ線分を、\(z\)軸の周りに回転させてできる容器がある。この容器に水を満たし、原点から水面までの高さが\(h\)のとき単位時間あたりの排水量が、\(\sqrt{h}\)となるように水を排出する。すなわち、時刻\(t\)までに排出された水の総量を\(V(t)\)とおくとき、\(\displaystyle\frac{dV}{dt}=\sqrt{h}\) が成り立つ。このとき、すべての水を排出するのに要する時間を求めよ。

 

ほとんど(例題1)と同様ですが、\(V\)が容器内の水量(体積)ではなく排出された総水量で定義されていることに注意してください。よって水が排出され続けている場合には \(\displaystyle\frac{dV}{dt}\) は正の値です(容器内の水量は減っている)。本問には関係ないですが容器内の水量が増加する、つまり水を加えている場合には、\(\displaystyle\frac{dV}{dt}\) は負の値になります。

(解答)

水量 積分② 例題2
(まず排出された水量\(V\)を求めます)
時刻\(t\)における水面の高さを\(h(t)\)とする。このとき、円である水面の半径を\(r\)とおくと
\(r:h=R:H\) より
\(r=\displaystyle\frac{Rh}{H}\)
よって\(V\)は
\(V=\displaystyle\frac{1}{3}πR^2H-\displaystyle\frac{1}{3}π(\displaystyle\frac{Rh}{H})^2h\)

\(=\displaystyle\frac{1}{3}πR^2H-\displaystyle\frac{1}{3}π(\displaystyle\frac{R}{H})^2h^3\)

\(t\)で微分して
\(\displaystyle\frac{dV}{dt}=-\displaystyle\frac{1}{3}π(\displaystyle\frac{R}{H})^2\cdot3h^2\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}\)

これと条件式から
\(\sqrt{h}=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2h^2\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}\)・・・① (変数分離型の微分方程式)

(以下例題1と同様に定積分でも逆関数の微分を利用しても解けます。)

よって\(h>0\)のとき①より
\(1=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2h^{\frac{3}{2}}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}\)
両辺\(t\)で積分して
\(\displaystyle\int dt=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2\displaystyle\int h^{\frac{3}{2}}\cdot\displaystyle\frac{dh}{dt}dt\)
\(\displaystyle\int dt=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2\displaystyle\int h^{\frac{3}{2}}dh\)
\(C\)を定数として
\(t=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2\cdot\displaystyle\frac{2}{5}h^{\frac{5}{2}}+C\)・・・②

初期条件は \(t=0\) のとき \(h=H\) だから
\(0=-π(\displaystyle\frac{R}{H})^2\cdot\displaystyle\frac{2}{5}H^{\frac{5}{2}}+C\)
\(C=\displaystyle\frac{2}{5}πR^2H^{\frac{1}{2}}\)

ゆえにすべての水を排出するのに掛かる時間は②で \(h=0\) として(同様に\(h \to +0\) として\(t\)の連続性より)
\(t=C=\displaystyle\frac{2}{5}πR^2\sqrt{H}\)

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
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