Thời gian ngắn nhất để nhà địa chất di chuyển từ A đến B là bao nhiêu phút?
19/22
Một nhà địa chất học đang ở tại điểm \(A\) trên sa mạc. Anh ta muốn đến điểm \(B\) và cách \(A\) một đoạn là \(100\,{\rm{km}}\). Trong sa mạc thì xe anh ta chỉ có thể di chuyển với vận tốc là \(30\,{\rm{km/h}}\). Nhà địa chất phải đến được điểm \(B\) sau \(3\) giờ.
Vì vậy, nếu anh ta đi từ \(A\) đến \(B\) sẽ không thể đến đúng giờ được. Sau khi khảo sát địa hình nhà địa chất phát hiện ra một con đường song song với đường nối \(A\) và \(B\) và cách \(AB\) một đoạn \(15\,{\rm{km}}\). Trên con đường đó thì xe nhà địa chất này có thể di chuyển với vận tốc \(50\,{\rm{km/h}}\). Thời gian ngắn nhất để nhà địa chất di chuyển từ \(A\) đến \(B\) là bao nhiêu phút?
Ta có thể mô tả bài toán trên bằng hình vẽ sau:
Như đã phân tích ở đề bài, nếu đi trực tiếp từ \(A\) đến \(B\) trên sa mạc với vận tốc và khoảng cách hiện có thì nhà địa chất học không thể đến đúng thời gian quy định. Vì vậy cần thiết phải chia quãng đường đi được thành \(3\) giai đoạn:
Giai đoạn 1: đi từ \(A\) đến \(C\) (từ sa mạc đến đường nhựa song song).
Giai đoạn 2: đi từ \(C\) đến \(D\) (một quãng đường nào đó trên đường nhựa).
Giai đoạn 3: đi từ \(D\) đến \(B\) (từ điểm kết thúc \(D\) trên đường nhựa đi tiếp đến \(B\) băng qua sa mạc).
Gọi \(C,D\) là các điểm như hình vẽ.
Khi đó gọi \(HC = x\,\left( {{\rm{km}}} \right)\,\,\left( {0 < x < 100} \right)\) và \(DK = y\,\,\left( {{\rm{km}}} \right)\,\left( {0 < y < 100} \right)\).
Quãng đường đi từ \(A\) đến \(C\) là \(AC = \sqrt {225 + {x^2}} \left( {{\rm{km}}} \right) \Rightarrow {t_1} = \frac{{AC}}{{{v_{samac}}}} = \frac{{\sqrt {225 + {x^2}} }}{{30}}\) (giờ).
Quãng đường đi từ \(D\) đến \(B\) là \(DB = \sqrt {225 + {y^2}} \,\left( {{\rm{km}}} \right) \Rightarrow {t_2} = \frac{{DB}}{{{v_{samac}}}} = \frac{{\sqrt {225 + {y^2}} }}{{30}}\) (giờ).
Và quãng đường đi \(C\) đến \(D\) là \(CD = 100 - \left( {x + y} \right)\,\,\left( {{\rm{km}}} \right) \Rightarrow {t_3} = \frac{{CD}}{{{v_{duong\,nhua}}}} = \frac{{100 - \left( {x + y} \right)}}{{50}}\) (giờ).
Vậy tổng thời gian mà nhà địa chất học đi từ A đến B là \(t = {t_1} + {t_2} + {t_3}\).
\( \Rightarrow t = T\left( {x;y} \right) = \frac{{\sqrt {225 + {x^2}} }}{{30}} + \frac{{\sqrt {225 + {y^2}} }}{{30}} + \frac{{100 - \left( {x + y} \right)}}{{50}}\).
Đến đây ta cần tìm \(\min T\left( {x;y} \right)\).
Ta có \(T\left( {x;y} \right) = \frac{{\sqrt {225 + {x^2}} }}{{30}} + \frac{{50 - x}}{{50}} + \frac{{\sqrt {225 + {y^2}} }}{{30}} + \frac{{50 - y}}{{50}} = f\left( x \right) + f\left( y \right)\).
Xét hàm số \(f\left( u \right) = \frac{{\sqrt {225 + {u^2}} }}{{30}} + \frac{{50 - u}}{{50}},\,\,0 < u < 100\).
Ta có \[f'\left( u \right) = \frac{u}{{30\sqrt {225 + {u^2}} }} - \frac{1}{{50}},f'\left( u \right) = 0 \Leftrightarrow \sqrt {225 + {u^2}} = \frac{{5u}}{3} > 0 \Leftrightarrow u = \frac{{45}}{4}\].
Lập bảng biến thiên ta có \(\mathop {\min }\limits_{u \in \left( {0;100} \right)} f\left( u \right) = f\left( {\frac{{45}}{4}} \right) = \frac{7}{5}\).
Do đó ta có \(T\left( {x;y} \right) = f\left( x \right) + f\left( y \right) \ge \frac{7}{5} + \frac{7}{5} = \frac{{14}}{5}\)(giờ) \( = 168\) (phút).
Dấu “=” xảy ra khi \(x = y = \frac{{45}}{4}\).
Đáp án: \(168\).