将一个 的正方体表面全部涂成红色,然后切成 64 个小正方体,小正方体的棱长是 1。拿走至少有两面红色的小正方体,则拿走了 ___ 个小正方体,若将剩下的小正方体重新组合拼成一个新的几何体,这个新几何体的表面积最小是 ___。
完整解法
1. 计算至少有两面为红色的小正方体个数
大正方体棱长为 ,切成 个棱长为 的小正方体。
至少有两面涂成红色的小正方体分布在顶点和棱上(不含顶点):
- 顶点处(三面涂红):正方体有 个顶点,共有 个;
- 棱上非顶点处(两面涂红):正方体有 条棱,每条棱上有 个,共有 个。
因此,拿走的小正方体总数为:
剩下的小正方体个数为:
2. 确定剩下32个小正方体拼成新几何体的最小表面积
每个棱长为 的小正方体表面积为 ,共有 个小正方体。
要使重新组合后的新几何体表面积最小,需要小正方体之间重合的面尽可能多,即几何体的形状越接近立方体,表面积越小。
将 个小正方体拼成长方体时,长、宽、高分别设为 ( 为正整数且 ):
- 当尺寸为 时,表面积为 ;
- 当尺寸为 时,表面积为 ;
- 当尺寸为 时,表面积为 ;
- 当尺寸为 时,表面积为 ;
- 当尺寸为 时,表面积为 。
若拼成非长方体的其他立体图形:由三维离散等周定理,体积为 的几何体在三个正交方向的投影面积满足 ,其表面积 ;经检验,任意组合方式下表面积均不小于 。
因此,新几何体的最小表面积为 。
答案
32,64
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