图 1 显示了一个无盖的圆柱形水箱。图 2 显示了该水箱的横截面图。水箱的外半径为 rr cm,外高度为 hh cm,且整个水箱的材料厚度均为 aa cm。水箱的内部容积固定为 1000π1000\pi cm3\text{cm}^3。

  1. (a)

    证明制作该圆柱形水箱所需材料的体积为

    V=kπ[r2(r−a)2−1]+πr2a, where k is a constant to be determined.V = k\pi \left[ \frac{r^2}{(r-a)^2} - 1 \right] + \pi r^2 a \text{, where } k \text{ is a constant to be determined.}

  2. (b)

    用 aa 表示使 VV 最小的 rr 的值。(不需要证明你的答案对应最小值。)

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

6(a)

1. Determine the internal dimensions and use the fixed internal volume to express the external height $h$ in terms of $r$ and $a$.

The internal radius is r−ar - a and the internal height is h−ah - a.
Given the internal volume is 1000π1000\pi:
π(r−a)2(h−a)=1000π\pi(r - a)^2(h - a) = 1000\pi
h−a=1000(r−a)2h - a = \frac{1000}{(r - a)^2}
h=1000(r−a)2+ah = \frac{1000}{(r - a)^2} + a

2. Express the total volume of the material $V$ as the difference between the external volume and the internal volume.

The volume of the material is the total external volume of the cylinder minus the empty internal volume.
V=Vexternal−VinternalV = V_{\text{external}} - V_{\text{internal}}
V=πr2h−1000πV = \pi r^2 h - 1000\pi

3. Substitute the expression for $h$ into $V$ and simplify to reach the given form, identifying $k$.

Substitute h=1000(r−a)2+ah = \frac{1000}{(r - a)^2} + a into the equation for VV:
V=πr2[1000(r−a)2+a]−1000πV = \pi r^2 \left[ \frac{1000}{(r - a)^2} + a \right] - 1000\pi
V=1000πr2(r−a)2+πr2a−1000πV = \frac{1000\pi r^2}{(r - a)^2} + \pi r^2 a - 1000\pi
Group the terms with 1000π1000\pi:
V=1000π[r2(r−a)2−1]+πr2aV = 1000\pi \left[ \frac{r^2}{(r - a)^2} - 1 \right] + \pi r^2 a
Comparing this with V=kπ[r2(r−a)2−1]+πr2aV = k\pi \left[ \frac{r^2}{(r-a)^2} - 1 \right] + \pi r^2 a, we determine that k=1000k = 1000.

答案

k=1000k = 1000

6(b)

1. State the value of $k$ from part (a) and write the expression for $V$.

From the internal volume of 1000π cm31000\pi\text{ cm}^3 in part (a), the constant kk is 10001000.
V=1000π[r2(r−a)2−1]+πr2aV = 1000\pi \left[ \frac{r^2}{(r-a)^2} - 1 \right] + \pi r^2 a

2. Differentiate $V$ with respect to $r$.

Using the quotient rule on the first term:
dVdr=1000π[2r(r−a)2−r2⋅2(r−a)(r−a)4]+2πar\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 1000\pi \left[ \frac{2r(r-a)^2 - r^2 \cdot 2(r-a)}{(r-a)^4} \right] + 2\pi a r
dVdr=1000π[2r(r−a)−2r2(r−a)3]+2πar\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 1000\pi \left[ \frac{2r(r-a) - 2r^2}{(r-a)^3} \right] + 2\pi a r
dVdr=1000π[2r2−2ar−2r2(r−a)3]+2πar\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 1000\pi \left[ \frac{2r^2 - 2ar - 2r^2}{(r-a)^3} \right] + 2\pi a r
dVdr=−2000πar(r−a)3+2πar\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = -\frac{2000\pi a r}{(r-a)^3} + 2\pi a r

3. Set the derivative to zero for minimum volume.

For VV to be a minimum, set dVdr=0\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 0:
−2000πar(r−a)3+2πar=0-\frac{2000\pi a r}{(r-a)^3} + 2\pi a r = 0
Since r>0r > 0 and a>0a > 0, we can divide throughout by 2πar2\pi a r:
1−1000(r−a)3=01 - \frac{1000}{(r-a)^3} = 0

4. Solve for $r$ in terms of $a$.

1000(r−a)3=1\frac{1000}{(r-a)^3} = 1
(r−a)3=1000(r-a)^3 = 1000
Taking the cube root of both sides:
r−a=10r - a = 10
r=a+10r = a + 10

答案

r=a+10r = a + 10

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[底面半径为 rr、高为 hh 的圆锥体积由 V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h 给出。] 某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 rr cm、高为 hh…
  2. 2一个圆心角为 θ\theta 弧度、半径为 4π cm4\pi\text{ cm} 的扇形被用来围成一个直圆锥的侧面,且没有重叠。证明该圆锥的体积为 8π34π2θ4−θ6 cm3.\hfill[3]\frac{8\pi}{3}\sqrt{4\pi^2\theta^4 - \theta^6}\text{ cm}^3. \hfill [3]…
  3. 3作为艺术项目的一部分,一个学生设计了一个如图所示的八面体灯笼。灯笼的框架由十二根直铁丝组成,端点相连,形成两个相同的正四棱锥(其底面为边长为 4x m4x\text{ m} 的正方形,侧棱长为 y my\text{ m})。铁丝框架用彩色纸紧紧包…
  4. 4下图显示了一个体积固定为 4k34k\sqrt{3} 单位3^{3} 的梯形柱体的尺寸,其中变量为 xx 和 yy。 该柱体的顶面 ABCDABCD 是一个等腰梯形,其中 ABAB 的长度为 5x5x 单位,DCDC 的长度为 3x3x 单…
  5. 5[半径为 rr、高为 hh 的直圆锥的体积为 13πr2h\frac{1}{3}\pi r^2 h。] 一名学生为他自制的3D打印机制作了一个打印机喷嘴。该打印机喷嘴由一个厚度可忽略的空心倒置直圆锥(其半径为 rr mm,其中 0<r<20 < r < 2…