本周的Riddler经典是一个简洁的微积分问题:
一天早上,开始下雪。雪以恒定的速度下着,并持续了一天的剩余时间。
中午,一辆雪犁开始清扫道路。地面上的雪越多,犁移动越慢。事实上,犁的速度与雪的深度成反比——如果你把地面上的雪量增加一倍,犁就会移动一半的速度。
犁在上路的第一个小时里行驶了2英里。在第二个小时,犁只走了1英里。
什么时候开始下雪的?
这是我的解决方案:
[显示解决方案]
我们假设下雪开始于$t=0$小时。因此,在$t$小时后,地面上的积雪深度与$t$成正比。由于犁的速度$v$与地面上的雪量成反比,因此我们得到$v=\tfrac{c}{t}$,其中$c>0$是一个比例常数。我们假设常数是以英里为单位的,所以$v$是以英里每小时为单位的。
假设犁在$t=x$小时开始。在第一个小时内,犁行驶2英里。因为距离是速度对时间的积分,所以我们有:
\[
2\text{miles}=\int_{x}^{x+1}v\,\mathrm{d} 吨=\int_x^{x+1}\frac{c}{t}\,\mathrm{d} 吨=c\,\log\left(\frac{x+1}{x}\right)
\]在第二个小时,犁行驶1英里。所以我们还有:
\[
1\text{mile}=\int_{x+1}^{x+2}v\,\mathrm{d} 吨=\int_{x+1}^{x+1}\frac{c}{t}\,\mathrm{d} 吨=c\,\log\左(\frac{x+2}{x+1}\右)
\]将第一个方程除以第二个方程,比例的单位和常数相消。简化后,我们得到:
\[
2\,\log\left(\frac{x+2}{x+1}\right)=\log\ left(\frac{x+1}{x}\rift)
\]对双方进行指数化以抵消日志,
\[
\左(\frac{x+2}{x+1}\right)^2=\frac{x+1}{x}
\]最后,通过清除分数和简化,我们得到:
\[
x^2+x-1=0
\]因为我们必须有$x\gt 0$,所以我们可以放弃这个方程的负解,而只保留正解。这使我们能够:
\[
x=\frac{\sqrt{5}-1}{2} \约0.618034
\]顺便说一句,这是黄金比例虽然这是一个巧合,而不是任何有意义的事情……如果犁是在中午开始的,那么雪是在中午前$x$小时开始的,即上午11:22.55(11小时22分55秒)。