如图所示,一个建在矩形底面上的温室。建造拱形屋顶和两个完全相同的半圆形侧面共使用了 140 m2140\text{ m}^2 的聚乙烯薄膜。每个半圆的半径为 r mr\text{ m},温室的长度为 y my\text{ m}。

  1. (i)

    证明温室的体积 V m3V\text{ m}^3 由 V=70r−πr32V = 70r - \frac{\pi r^3}{2} 给出。

  2. (ii)

    已知 rr 是可变的,求使 VV 取得驻值时 rr 的值。

  3. (iii)

    解释为什么这个 rr 的值能使温室的体积达到最大。

先不看答案,让 AI 诊断你卡在哪里?

它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的

完整解法

11(i)

1. Formulate an equation for the total area of polyethene used.

Area of two semicircular sides = 2×12πr2=πr22 \times \frac{1}{2}\pi r^2 = \pi r^2
Area of curved roof = (12×2πr)×y=πry(\frac{1}{2} \times 2\pi r) \times y = \pi r y
Total area = πr2+πry=140\pi r^2 + \pi r y = 140

2. Express the length $y$ in terms of $r$.

πry=140−πr2\pi r y = 140 - \pi r^2
y=140−πr2πry = \frac{140 - \pi r^2}{\pi r}

3. Formulate the expression for the volume of the greenhouse.

Volume VV = Cross-sectional area ×\times length
V=12πr2×yV = \frac{1}{2}\pi r^2 \times y

4. Substitute $y$ into the volume expression and simplify to obtain the given result.

V=12πr2(140−πr2πr)V = \frac{1}{2}\pi r^2 \left( \frac{140 - \pi r^2}{\pi r} \right)
V=12r(140−πr2)V = \frac{1}{2}r (140 - \pi r^2)
V=70r−πr32V = 70r - \frac{\pi r^3}{2} (shown)

答案

V=70r−πr32V = 70r - \frac{\pi r^3}{2} (shown)

11(ii)

1. Differentiate the volume function with respect to $r$

Given V=70r−πr32V = 70r - \frac{\pi r^3}{2}
dVdr=70−3πr22\frac{\text{d}V}{\text{d}r} = 70 - \frac{3\pi r^2}{2}

2. Set the derivative to zero to find the stationary value

For a stationary value, dVdr=0\frac{\text{d}V}{\text{d}r} = 0
70−3πr22=070 - \frac{3\pi r^2}{2} = 0
3πr22=70\frac{3\pi r^2}{2} = 70

3. Solve for $r$

r2=1403πr^2 = \frac{140}{3\pi}
r=1403πr = \sqrt{\frac{140}{3\pi}} (since r>0r > 0)
r≈3.8542≈3.86r \approx 3.8542 \approx 3.86 (to 3 s.f.)

答案

r=3.86r = 3.86

11(iii)

1. Find the second derivative of V with respect to r

dVdr=70−3πr22\frac{dV}{dr} = 70 - \frac{3\pi r^2}{2}
d2Vdr2=−3πr\frac{d^2V}{dr^2} = -3\pi r

2. Evaluate the sign of the second derivative to justify the maximum

Since r>0r > 0 (as it is a physical length), d2Vdr2=−3πr<0\frac{d^2V}{dr^2} = -3\pi r < 0.
Therefore, the stationary value is a maximum, giving the largest possible volume.

答案

Since d2Vdr2=−3πr<0\frac{d^2V}{dr^2} = -3\pi r < 0 for r>0r > 0, the volume VV is a maximum.

AI 分析,可能出错

用 AI 批改,圈出写错的那一步,并自动将你的薄弱点存入错题本,形成你的错因库。

同一知识点的其他题

  1. 1在三角形 ABCABC 中,AB=x cmAB = x\ \text{cm},AC=3x cmAC = 3x\ \text{cm},且角 BAC=2π3BAC = \dfrac{2\pi}{3}。如果 xx 以 0.5 cm/s0.5\ \text{cm/s} 的速率增加,求当 x=4x = 4…
  2. 2已知一条曲线的方程为 y=2x−33x+4y = \frac{2x - 3}{3x + 4},其中 x≠−43x \ne -\frac{4}{3}。 曲线在点 PP(其中 x>0x > 0)处的法线平行于直线 y=−2517x+2y = -\frac{25}{17}x + 2。…
  3. 3求曲线 y=2x2−ln⁡x+cy = 2x^2 - \ln x + c 的导函数。 曲线在点 TT 处与正 xx 轴相切。求 TT 的坐标。 证明 c=−ln⁡2ec = -\ln 2\sqrt{e}。 求在点 TT 处 d2ydx2\frac{\text{d}^2y}{\text{d}x^2}…
  4. 4曲线 y=2tan⁡3x−1y = 2\tan 3x - 1 在点 P(π3,−1)P\left(\frac{\pi}{3}, -1\right) 处的法线交 yy 轴于点 AA,交 xx 轴于点 BB。求三角形 AOBAOB 的精确面积。
  5. 5点 PP 在曲线 y=ln⁡(x+1x−1)y = \ln\left(\frac{x+1}{x-1}\right)(x>1x > 1)上。该曲线在点 PP 处的法线平行于直线 2y=3x+22y = 3x + 2。曲线在点 PP 处的切线交 yy 轴于点 QQ。求…