[底面半径为 且高为 的圆锥的体积由 给出。]
一位制造商用同一种材料制作了一个漏斗状的装饰品,它由两部分组成,如图 1所示。
- 一个半径为 cm、高为 cm 且母线长为 4 cm 的直圆锥,
- 一个半径为 cm 且高为 cm 的圆柱,其中 。
如图 2所示,从原始圆锥的顶点处切除一个半径为 cm 的相似圆锥。圆锥的剩余部分与圆柱拼接在一起,形成如图 3所示的漏斗。可以假设漏斗的厚度忽略不计。
已知该装饰品的体积为 ,求用 和 表示 的表达式。

- (a)
在本题的其余部分中,假设 。
制造商希望 达到最大值。如果当 时 取得最大值,证明 满足方程 。
- (b)
证明第 (a) 部分方程的其中一个正根不会使 取得驻值。由此求出使 取得驻值的 的值。
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完整解法
5(a)
1. Express the total volume $V$ in terms of $r$ by evaluating the volumes of the frustum and cylinder.
From the given information, the slant height of the original cone is . Let its vertical height be . By Pythagoras' Theorem:
The similar cone removed from the vertex has radius and, by similarity, height .
Volume of the frustum =
Volume of the cylinder =
Total volume :
2. Substitute $a = 0.25$ to express $V$ solely in terms of $r$.
Given :
Substitute into :
3. Differentiate $V$ with respect to $r$ using the product and chain rules.
Applying the product rule on the first term:
4. Equate $\frac{dV}{dr}$ to 0 for a maximum value and substitute $r = r_1$.
For to be a maximum, . Let .
Since , divide the entire equation by :
Multiply through by to clear the denominator:
5. Square both sides to eliminate the square root and form the required equation.
Square both sides:
Rearranging the terms to one side:
(shown)
(shown)
5(b)
1. Solve the equation from part (a) to find the possible positive roots for $r$.
Let . Using the quadratic formula:
Evaluating these gives:
Taking the positive square roots (since radius ):
2. Test the first positive root in the original, un-squared condition for a stationary point to show it is extraneous.
From part (a), equating to zero leads to the condition before squaring:
Substitute () into both sides:
Since LHS RHS (they have opposite signs), is an extraneous root introduced by squaring and does not give a stationary value of .
3. Find the value of $h$ corresponding to the valid root.
The valid root for the stationary point must be the other one, .
Using the relationship between slant height, radius, and height from the original cone ():
Thus, cm (to 3 s.f.).
(to 3 s.f.)
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