图 1 展示了从一张边长为 20 cm 的正方形纸板上剪下的三棱柱的展开图。该展开图由一个长宽分别为 cm 和 cm 的矩形、两个长宽分别为 cm 和 cm 的矩形以及两个底边为 cm、垂直高度为 cm 的等腰三角形组成。当剪去纸板的阴影部分后,折叠该展开图以形成一个如图 2 所示的具有矩形底面的三棱柱。

- (a)
证明 并用 表示 。
- (b)
证明该棱柱的体积为 。利用求导求出该棱柱的最大体积。
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
3(a)
1. Relate $x$ and $y$ using the side length of the square cardboard.
Since the cardboard is a square with side length 20 cm, the total width across the three adjacent rectangles is 20 cm:
2. Set up an equation using Pythagoras' theorem on the isosceles triangle.
The triangular face is isosceles with base , height , and slanted edge (which joins the side of the adjacent rectangle). Applying Pythagoras' theorem to half of the triangle:
Substituting :
3. Expand the equation and solve for $y$.
4. Find $x$ in terms of $h$.
Substitute the expression for back into :
3(b)
1. Express the dimensions $x$ and $z$ in terms of $h$ using the constraints of the 20 cm square net.
From the horizontal arrangement of the net within the 20 cm square, the total width is .
Substitute (from part a):
From the vertical arrangement, the total height comprises the central rectangle and the two triangles, giving .
2. Formulate the volume equation and expand it to the required form.
The volume of the prism .
Substitute and :
3. Differentiate $V$ with respect to $h$.
4. Find the stationary values of $h$ by setting the derivative to zero.
For a maximum volume, set :
Using a graphing calculator (or by factorising as ):
, , or
Since length and the prism length , we reject and the negative root.
The only valid root is .
5. Verify the nature of the stationary point and calculate the maximum volume.
Using the second derivative test:
Substitute :
Since , the volume is a maximum.
Substitute into :
The maximum volume is (to 3 s.f.).
202 \text{ cm}^3
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