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APPLICATIONS OF CALCULUS 1 APPLICATIONS OF CALCULUS (SOLUTIONS) 1 The Point O is the intersection of two roads that cross at right angles as shown. One car travels towards O from the north at 20 ms 1 while the second travels due east towards O also at 20 ms 1 . (a) Show that after t seconds their distance apart, d, is given by d = 100 20t ( ) 2 + 80 20t ( ) 2 (b) Show that this simplifies to d 2 = 400 5 t ( ) 2 + 4 t ( ) 2 ! = 20(5 ) ! + 20(4 ) ! = 400 5 ! + 400 4 ! = 400[ 5 ! + 4 ! ] O 100 20 !! 20 !! 80 100 20 80 20 Find distance of each from O at time t then use Pythagoras’ for distance between them.

APPLICATIONS OF CALCULUS Q (Solutions) - PDST OF CALCULUS...!APPLICATIONS!OF!CALCULUS!! 7! 1997QUESTION3b!!! Aparticle!is!projected!froma!point!p!with!initial!speed!15m/s,! downa!planeinclinedat!anangleof30

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     1  

                                                                     APPLICATIONS  OF  CALCULUS  (SOLUTIONS)      

1 The  Point  O  is  the  intersection  of  two  roads  that  cross  at  right  angles  as  shown.  One  car  travels  towards  O  from  the  north  at   20ms−1  while  the  second  travels  due  east  towards  O  also  at   20ms−1 .  

                       

   

(a) Show  that  after  t  seconds  their  distance  apart,  d,  is  given  by    

                                                    d = 100− 20t( )2 + 80− 20t( )2      

     

   

     

(b) Show  that  this  simplifies  to    

                                               d2 = 400 5 − t( )2 + 4 − t( )2⎡⎣ ⎤⎦    

𝑑    

  𝑑! = 20(5− 𝑡) ! + 20(4− 𝑡) !                                                            = 400 5− 𝑡 ! + 400 4− 𝑡 !                                                          = 400[ 5− 𝑡 ! + 4− 𝑡 !]  

           

O  100  𝑚  

20  𝑚𝑠!!  

20  𝑚𝑠!!  

80  𝑚  

𝑑  

100 − 20𝑡  

80−20𝑡  

Find  distance  of  each  from  O  at  time  t  then  use  Pythagoras’  for  distance  between  them.  

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     2  

(c) Show,  using  calculus  that  the  minimum  distance  between  the  two  cars                            is    𝟏𝟎 𝟐  𝒎.                          𝐷! = 400[ 5− 𝑡 ! + 4− 𝑡 !]  

                         Minimum  distance  at                              !(!

!)!"

= 0                              !(!

!)!"

= 400[2 5− 𝑡 −1 + 2 4− 𝑡 −1 ]                                                                  400[2 5− 𝑡 −1 + 2 4− 𝑡 −1 ] = 0                                                                                    800𝑡 − 4000− 3200+ 800𝑡 = 0                                                                                                                                                                          1600𝑡 = 7200                                                                                                                                                                                              𝑡 = !"##

!"##= !

!  

                         Minimum  distance  between  them  is  at  time  𝑡 = 4.5  𝑠𝑒𝑐𝑠                              𝐷! = 400[ 0.5 ! + (−0.5)!  ]                                          = 400(0.25+ 0.25)                                          = 200                                  𝑫 = 𝟏𝟎 𝟐  𝒎          (d) Now  show,  without  using  calculus,  that  the  minimum  distance  between                        the  two  cars  is  𝟏𝟎 𝟐  𝒎                        (Using  relative  velocity)                        

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     3  

 2   Two  straight  roads  cross  at  right  angles  at  O.    John  is  running  along                              one  of  the  roads  towards  O  at  𝟕  𝒎𝒔!𝟏    .  Mary  is  cycling  along  the                                other  road  at  𝟐𝟒  𝒎𝒔!𝟏  .  When  John  is  100  𝒎  from  O,  Mary  is  at  O.                                                        (𝒊)  Find  an  expression  for  the  distance,  D,  between  John  and  Mary.                                        Distance  of  John  from  junction  is  100− 7𝑡                                        Distance  of  Mary  from  junction  is  24𝑡                                        𝐷! = 100− 7𝑡 ! + (24𝑡)!                                   𝒊𝒊    Hence  find  the  shortest  distance  between  John  and  Mary  at  any                                          time  𝒕.                                            Shortest  distance  between  them  is  at    !(!

!)!"

= 0                                        !(!

!)!"

= 2 100− 7𝑡 −7 + (2)576𝑡                                                                      2 100− 7𝑡 −7 + 1152𝑡 = 0                                                                                            98𝑡 − 1400+ 1152𝑡 = 0                                                                                                                                            1250𝑡 = 1400      

𝒕 =𝟐𝟖𝟐𝟓  

                                   𝐷! = 100− 7𝑡 ! + (24𝑡)!      

                                               = !"#$!"

!+ !"#

!!

!  

                                     𝑫 = 𝟗𝟔  𝒎    

𝑀𝑎𝑟𝑦  

𝐽𝑜ℎ𝑛  O  100  𝑚  

24  𝑚𝑠!!  

7  𝑚𝑠!!  

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     4  

1987  QUESTION  2b:      AN  ALTERNATIVE  TO  USING  𝑽𝑨 = 𝑽𝑩    A  car  starts  from  a  point  O  with  an  initial  speed  of  8  𝒎𝒔!𝟏  and  then  travels  with  a  uniform  acceleration  of  4  𝒎𝒔!𝟐.    Two  seconds  later  a  second  car  Q  starts  with  an  initial  velocity  of  30  𝒎𝒔!𝟏  and  then  moves  with  a  uniform  acceleration  of  𝟑  𝒎𝒔!𝟐.    Show  that  after  passing  P,  Q  will  never  be  ahead  by  more  than  74m.    𝐢      Find  an  expression  for  the  distance  travelled  by  car  P  at  time  𝐭  seconds                              𝑆! = 𝑢 𝑡 + !

!(𝑎)𝑡!                                        𝑢 = 8            𝑎 = 4        𝑡 = 𝑡 + 2      𝑠 = 𝑠!  

                           𝑆! = 8 𝑡 + 2 + !

!(4) 𝑡 + 2 !    

                                     = 8𝑡 + 16+ 2𝑡! + 8𝑡 + 8                                          𝑆!  = 2𝑡! + 16𝑡 + 24      𝐢𝐢      Find  an  expression  for  the  distance  travelled  by  car  Q  at  time  𝐭  seconds                              𝑆! = 𝑢 𝑡 + !

!(𝑎)𝑡!                              𝑢 = 30            𝑎 = 3        𝑡 = 𝑡      𝑠 = 𝑠!  

                           𝑆! = 30 𝑡 + !

!(3) 𝑡 !    

                             𝑆! = 30 𝑡 + !

!𝑡 !    

   (𝐢𝐢𝐢)      Find  an  expression  for  the  distance  between  the  two  cars                            Let  𝐷 = 𝑆! − 𝑆!                          𝑆! − 𝑆! = 30 𝑡 + !

!𝑡 ! − 2𝑡! + 16𝑡 + 24    

                                                   𝐷 = − !

!𝑡 ! + 14𝑡 − 24    

   𝐢𝐯        Find  the  time  when  distance  between  them  is  minimum                              Min  distance  between  them  at    !"

!"= 0                !"

!"= −𝑡 + 14  

                                                     𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑖𝑢𝑚  𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑎𝑡                                          − 𝑡 + 14 = 0                                                                                                                                                                                                    𝑡 = 14  𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑠    

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     5  

 (𝒗)      Find  minimum  distance  between  them                                                                          𝐷 = − !

!𝑡 ! + 14𝑡 − 24    

                                               𝑎𝑡  𝑡 = 14          𝐷 = − !

!14 ! + 14(14)− 24  

                                                                             = −98+ 196− 24                                                                                = 𝟕𝟒  𝒎                                                                                      

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     6  

1992  QUESTION  1b    Two  particles  P  and  Q  are  moving  in  the  same  direction  along  parallel  straight  lines.  Their  accelerations  are  5  m/s2  and  4  m/s2,  respectively.    At  a  certain  instant  P  has  a  velocity  1  m/s  and  Q  is  25.5  m  behind  P  moving  with  velocity  11  m/s.    (i) Prove  that  Q  will  overtake  P  and  that  P  will  in  turn  overtake  Q.    (ii) When  Q  is  in  front  of  P  find  the  greatest  distance  between  the  particles.          Find  expression  for  distance  travelled  by  P              𝑠 = 𝑢𝑡 + !

!𝑎𝑡!                𝑢 = 1                  𝑎 = 5          

       𝑆! = (1)𝑡 + !!(5)𝑡!    

   Find  expression  for  distance  travelled  by  Q              𝑠 = 𝑢𝑡 + !

!𝑎𝑡!                𝑢 = 11                  𝑎 = 4          

       𝑆! = (11)𝑡 + !!(4)𝑡!    

   Find  an  expression  for  the  distance  between  the  particles  when  Q  is  in  front  of  P  

     

         Let  distance  between  them  equal  D      𝐷 = 𝑆! − 𝑆! − 25.5        𝐷 = 11𝑡 + 2𝑡! − 𝑡 − 2.5 𝑡! − 25.5                = −0.5𝑡! + 10𝑡 − 25.5        Find  the  maximum  distance  between  them  Maximum  distance  at  !"

!"= 0  

                                                                                     !"

!"= −𝑡 + 10    

                                                                                                         −𝑡 + 10 = 0                                                                                                                                          𝒕 = 𝟏𝟎      Maximum  distance                𝐷 = −0.5 𝟏𝟎 ! + 10 𝟏𝟎 − 25.5                                                                                                    = 𝟐𝟒.𝟓    

Q   P  25.5  𝑚  𝑆!  

 

𝑆!    

𝑫 = 𝑺𝑸 − 𝑺𝑷 − 𝟐𝟓.𝟓    

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 APPLICATIONS  OF  CALCULUS     7  

1997  QUESTION  3b      A  particle  is  projected  from  a  point  p  with  initial  speed  15m/s,  down  a  plane  inclined  at  an  angle  of  300  to  the  horizontal.   The  direction  of  projection  is  at  right  angles  to  the  inclined  plane.      (The  plane  of  projection  is  vertical  and  contains  the  line  of  greatest  slope).        Find        (i)    the  perpendicular  height  of  the  particle  above  the  plane  after  t  seconds  and                    hence,  or  otherwise,  show  that  the  vertical  height  ℎ  of  the  particle  above  the                  plane  after  t  seconds  is  10 3 t  –  4.9t2      (ii)    the  greatest  vertical  height  it  attains  above  the  plane                      (i.e.  the  maximum    value  of  h)  correct  to  two  places  of  decimals.        

ℎ = 10 3𝑡 − 4.9𝑡!          Maximum  height  at  !!

!"= 0  

                                                                             !!

!"= 10 3− 9.8𝑡    

                                                                                                 10 3− 9.8𝑡 = 0                                                                                                                                              𝑡 = !" !

!.!  

 

Maximum  height  = 10 3 !" !!.!

− 4.9 !" !!.!

!  

                                                                     = !""

!.!− !"#

!.!  

                                                                       = 𝟏𝟓.𝟑  𝒎    

                 

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