Skøyteløper og hund med parameterfremstilling R1 V26

Skøyteløper og hund med parameterfremstilling R1 V26

En skøyteløper beveger seg over et islagt vann.

I et koordinatsystem der enhetene langs aksene er meter, er posisjonen til skøyteløperen etter tt sekunder gitt ved

l:{x=6t+120y=53t+50t[0,200]l: \begin{cases} x = 6t + 120 \\ y = \dfrac{5}{3}t + 50 \end{cases} \qquad t \in [0, 200]

Bestem banefarten og posisjonen til skøyteløperen etter et halvt minutt.

Samtidig med skøyteløperen kommer en hund springende over isen. I det samme koordinatsystemet er posisjonen til hunden etter tt sekunder gitt ved

m:{x=132t+250y=95t+520t[0,200]m: \begin{cases} x = \dfrac{13}{2}t + 250 \\ y = -\dfrac{9}{5}t + 520 \end{cases} \qquad t \in [0, 200]

Vis at skøyteløperen ikke vil treffe hunden.

Hunden har vært savnet en stund, og skøyteløperen ønsker å fange den. Skøyteløperen oppdager hunden etter 11 minutt, og øker da sin banefart uten å endre retning. Hunden endrer verken retning eller banefart.

Hvilken ny konstant banefart må skøyteløperen holde fra dette tidspunktet for å fange hunden?

Fasit

Banefart 34936,23m/s\dfrac{\sqrt{349}}{3} \approx 6{,}23 \, \mathrm{m/s}, posisjon (300,100)(300, 100) etter 30s30 \, \mathrm{s}

xx-likningene gir t=260t = -260 og yy-likningene gir t135,6t \approx 135{,}6 — ingen felles tt gir samme posisjon

Ny banefart 1813493569,50m/s\dfrac{181\sqrt{349}}{356} \approx 9{,}50 \, \mathrm{m/s}

LøsningsforslagKI-generert

GeoGebra CAS

Fartsvektoren til skøyteløperen leses av fra parameterfremstillingen som vl=(6, 53)\vec{v}_l = (6,\ \tfrac{5}{3}).

Banefarten er lengden av fartsvektoren:

vl=62+(53)2=36+259=324+259=3493|\vec{v}_l| = \sqrt{6^2 + \left(\frac{5}{3}\right)^2} = \sqrt{36 + \frac{25}{9}} = \sqrt{\frac{324 + 25}{9}} = \frac{\sqrt{349}}{3}

Se linje 1 i GeoGebra: banefartl6,2272m/s\mathbf{banefart_l \approx 6{,}2272 \, \mathrm{m/s}}

Et halvt minutt er t=30st = 30 \, \mathrm{s}. Posisjonen er

x=630+120=300,y=5330+50=100x = 6 \cdot 30 + 120 = \mathbf{300}, \qquad y = \frac{5}{3} \cdot 30 + 50 = \mathbf{100}

Se linje 2 og 3 i GeoGebra.

Banefarten er 34936,23m/s\dfrac{\sqrt{349}}{3} \approx 6{,}23 \, \mathrm{m/s}, og skøyteløperen er i punktet (300, 100)(300,\ 100) etter 30s30 \, \mathrm{s}.

For at skøyteløperen og hunden skal treffe hverandre, må det finnes en t[0,200]t \in [0, 200] slik at begge er i samme punkt samtidig. Vi løser xx- og yy-likningene separat og sjekker om de gir samme tt.

xx-likning:

6t+120=132t+250    12t=130    t=2606t + 120 = \frac{13}{2}t + 250 \implies -\frac{1}{2}t = 130 \implies t = -260

Se linje 4 i GeoGebra: tx={t=260}t_x = \{t = -260\}.

yy-likning:

53t+50=95t+520    (53+95)t=470    5215t=470    t=352526135,6\frac{5}{3}t + 50 = -\frac{9}{5}t + 520 \implies \left(\frac{5}{3} + \frac{9}{5}\right)t = 470 \implies \frac{52}{15}t = 470 \implies t = \frac{3525}{26} \approx 135{,}6

Se linje 5 i GeoGebra: ty135,6t_y \approx 135{,}6.

Siden tx=260ty135,6t_x = -260 \neq t_y \approx 135{,}6, finnes det ingen tt der begge er i samme posisjon. (Geometrisk betyr dette at banene ll og mm er to forskjellige rette linjer som skjærer hverandre i ett punkt, men skøyteløperen og hunden passerer det punktet på ulike tidspunkt.)

Skøyteløperen vil ikke treffe hunden.

Etter t=60st = 60 \, \mathrm{s} (1 minutt) er posisjonene:

Skøyteløper: (660+120, 5360+50)=(480, 150)\text{Skøyteløper: } (6 \cdot 60 + 120,\ \tfrac{5}{3} \cdot 60 + 50) = (480,\ 150) Hund: (13260+250, 9560+520)=(640, 412)\text{Hund: } (\tfrac{13}{2} \cdot 60 + 250,\ -\tfrac{9}{5} \cdot 60 + 520) = (640,\ 412)

Se linje 6 og 7 i GeoGebra.

Fra t=60t = 60 øker skøyteløperen banefarten med en faktor k>0k > 0 (beholder retningen (6, 53)(6,\ \tfrac{5}{3})). Den nye fartsvektoren er k(6, 53)k \cdot (6,\ \tfrac{5}{3}), og posisjonen for t>60t > 60 er

{xl(t)=480+6k(t60)yl(t)=150+53k(t60)\begin{cases} x_l(t) = 480 + 6k(t - 60) \\ y_l(t) = 150 + \dfrac{5}{3}k(t - 60) \end{cases}

Hunden fortsetter uendret:

{xm(t)=132t+250ym(t)=95t+520\begin{cases} x_m(t) = \dfrac{13}{2}t + 250 \\ y_m(t) = -\dfrac{9}{5}t + 520 \end{cases}

Vi setter opp likningssystemet xl(t)=xm(t)x_l(t) = x_m(t) og yl(t)=ym(t)y_l(t) = y_m(t) og løser for tt og kk:

480+6k(t60)=132t+250150+53k(t60)=95t+520\begin{aligned} 480 + 6k(t-60) &= \frac{13}{2}t + 250 \\ 150 + \frac{5}{3}k(t-60) &= -\frac{9}{5}t + 520 \end{aligned}

Løsning (se Python-beregning): t=710059120,3st = \dfrac{7100}{59} \approx 120{,}3 \, \mathrm{s} og k=5433561,525k = \dfrac{543}{356} \approx 1{,}525.

Den nye banefarten er

v=kvl=5433563493=181349356v = k \cdot |\vec{v}_l| = \frac{543}{356} \cdot \frac{\sqrt{349}}{3} = \frac{181\sqrt{349}}{356}

Se linje 9 i GeoGebra: ny_banefart9,50m/s\mathbf{ny\_banefart \approx 9{,}50 \, \mathrm{m/s}}.

Skøyteløperen må holde en banefart på 1813493569,50m/s\dfrac{181\sqrt{349}}{356} \approx 9{,}50 \, \mathrm{m/s} for å fange hunden.