方企勤 第三章 一元函数积分学 第3.4题

教材习题

📝 题目

3.4.10 某建筑工程打地基时,需要汽锤将桩打进土层,汽锤每次击打,都将克服土层对桩的阻力而作功. 设土层对桩的阻力的大小与桩被打进地下的深度成正比 (比例系数为 $k\left( {k > 0}\right)$ ),汽锤第一次击打将桩打进地下 $a\mathrm{\;m}$ . 根据设计方案,要求汽锤每次击打桩时所作的功与前一次击打时所作的功之比为常数 $r$ $\left( {0 < r < 1}\right)$ . 向

(1)汽锤击打桩 3 次后,可将桩打进地下多深?

(2)若击打次数不限,汽锤至多能将桩打进地下多深?

💡 答案解析

3.4.10 (1) 设第 $n$ 次击打后,桩被打进地下 ${x}_{n}$ ,第 $n$ 次击打时,汽锤所做的功为 ${w}_{n}\left( {n = 1,2,\cdots }\right)$ . 依题设,当桩被打进地下的深度为 $x$ 时,土层对桩的阻力为 ${kx}$ ,所以

$$ {W}_{1} = {\int }_{0}^{{x}_{1}}{kx}\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}k{x}_{1}^{2} = \frac{1}{2}k{a}^{2}, $$

$$ {W}_{2} = {\int }_{{x}_{1}}^{{x}_{2}}{kx}\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}k\left( {{x}_{2}^{2} - {x}_{1}^{2}}\right) = \frac{1}{2}k\left( {{x}_{2}^{2} - {a}^{2}}\right) . $$

又 ${W}_{2} = r{W}_{1} \Rightarrow {x}_{2}^{2} - {a}^{2} = r{a}^{2}$ ,即 ${x}_{2}^{2} = \left( {1 + r}\right) {a}^{2}$ . 进一步,因此有

$$ {W}_{3} = {\int }_{{x}_{2}}^{{x}_{3}}{kx}\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}k\left( {{x}_{3}^{2} - {x}_{2}^{2}}\right) = \frac{1}{2}k\left\lbrack {{x}_{3}^{2} - \left( {1 + r}\right) {a}^{2}}\right\rbrack . $$

再由 ${W}_{3} = r{W}_{2} \Rightarrow {r}^{2}{W}_{1} \Rightarrow {x}_{3}^{2} - \left( {1 + r}\right) {a}^{2} = {r}^{2}{a}^{2} \Rightarrow {x}_{3} = \sqrt{1 + r + {r}^{2}}a$ . 即汽锤击打桩 3 次后,可将桩打进地下 $\sqrt{1 + r + {r}^{2}}a\mathrm{\;m}$ .

(2)用数学归纳法,设 ${x}_{n} = \sqrt{1 + r + \cdots + {r}^{n - 1}}a$ ,则

$$ {W}_{n + 1} = {\int }_{{x}_{n}}^{{x}_{n + 1}}{kx}\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}k\left( {{x}_{n + 1}^{2} - {x}_{n}^{2}}\right) $$

$$ = \frac{1}{2}k\left\lbrack {{x}_{n + 1}^{2} - \left( {1 + r + \cdots + {r}^{n - 1}}\right) {a}^{2}}\right\rbrack . $$

由于

$$ {W}_{n + 1} = r{W}_{n} = {r}^{2}{W}_{n - 1} = \cdots = {r}^{n}{W}_{1} = \frac{1}{2}k{r}^{n}{a}^{2}, $$

故有

$$ {x}_{n + 1}^{2} - \left( {1 + r + \cdots + {r}^{n - 1}}\right) {a}^{2} = {r}^{n}{a}^{2} \Rightarrow $$

$$ {x}_{n + 1} = \sqrt{1 + r + \cdots + {r}^{n}}a = \sqrt{\frac{1 - {r}^{n + 1}}{1 - r}}a, $$

于是

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n + 1} = \sqrt{\frac{1}{1 - r}}a. $$

即若击打次数不限,汽锤至多能将桩打进地下 $\sqrt{\frac{1}{1 - r}}a\mathrm{\;m}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:建立第一次击打后深度与功的关系
设第n次击打后深度为x_n,第一次击打后深度x_1 = a。阻力f = kx,功W = ∫ f dx。第一次击打做功W_1 = ∫_0^a kx dx = (1/2)ka^2。
公式:W_1 = (1/2)ka^2
提示:注意积分上下限从0到a。
步骤 2/5
目标:建立第二次击打后深度与功的关系
第二次击打从深度a到x_2,做功W_2 = ∫_a^{x_2} kx dx = (1/2)k(x_2^2 - a^2)。由条件W_2 = rW_1,得(1/2)k(x_2^2 - a^2) = r*(1/2)ka^2,解得x_2^2 = (1+r)a^2。
公式:x_2^2 = (1+r)a^2
提示:利用W_2 = rW_1建立方程。
步骤 3/5
目标:建立第三次击打后深度与功的关系
第三次击打从深度x_2到x_3,做功W_3 = ∫_{x_2}^{x_3} kx dx = (1/2)k(x_3^2 - x_2^2)。由条件W_3 = rW_2 = r^2W_1,代入得(1/2)k(x_3^2 - (1+r)a^2) = r^2*(1/2)ka^2,解得x_3^2 = (1+r+r^2)a^2,即x_3 = √(1+r+r^2)a。
公式:x_3 = √(1+r+r^2)a
提示:注意W_3 = rW_2,而W_2 = rW_1,故W_3 = r^2W_1。
步骤 4/5
目标:归纳得到第n次击打后的深度通项
假设x_n = √(1+r+...+r^{n-1})a,则第n+1次击打做功W_{n+1} = ∫_{x_n}^{x_{n+1}} kx dx = (1/2)k(x_{n+1}^2 - x_n^2)。由条件W_{n+1} = rW_n = ... = r^n W_1,代入得(1/2)k(x_{n+1}^2 - (1+r+...+r^{n-1})a^2) = r^n*(1/2)ka^2,解得x_{n+1}^2 = (1+r+...+r^n)a^2,即x_{n+1} = √(1+r+...+r^n)a = √((1-r^{n+1})/(1-r))a。
公式:x_n = √((1-r^n)/(1-r))a
提示:使用数学归纳法,并利用等比数列求和公式。
步骤 5/5
目标:求极限得到无限次击打后的深度
当n→∞时,r^n→0,所以lim_{n→∞} x_n = √(1/(1-r))a。
公式:lim_{n→∞} x_n = √(1/(1-r))a
提示:注意0

📷 拍照上传批改

拍照上传批改功能已预留入口,后续接入图片上传、OCR识别与AI批改。