题目
小船从河边点 O 处出发驶向对岸(两岸为平行直线),设船速为 a,船行方向始终与河岸垂直,又设河宽为 h,河中任一点处的水流速度与该点到两岸距离的乘积成正比(比例系数为 k),求小船的航行路线。
小船从河边点 $O$ 处出发驶向对岸(两岸为平行直线),设船速为 $a$,船行方向始终与河岸垂直,又设河宽为 $h$,河中任一点处的水流速度与该点到两岸距离的乘积成正比(比例系数为 $k$),求小船的航行路线。
题目解答
答案
设小船在任意时刻的位置为 $(x, y)$,其中 $y$ 为垂直于河岸的距离,$x$ 为沿河岸的距离。船速为 $a$,垂直于河岸,故 $\frac{dy}{dt} = a$。水流速度 $v_x = k y (h - y)$,沿河岸方向,故 $\frac{dx}{dt} = k y (h - y)$。
由 $\frac{dy}{dt} = a$,得 $t = \frac{y}{a}$。代入得:
$\frac{dx}{dy} = \frac{k y (h - y)}{a}$
积分得:
$x = \frac{k}{a} \int y (h - y) \, dy = \frac{k}{a} \left( \frac{h y^2}{2} - \frac{y^3}{3} \right) + C$
由初始条件 $y = 0$ 时 $x = 0$,得 $C = 0$。
答案:
$\boxed{x = \frac{k}{a} \left( \frac{h y^2}{2} - \frac{y^3}{3} \right)}$
(或等价表示:$\boxed{x = \frac{k (3h y^2 - 2y^3)}{6a}}$)