图 1 显示了一个无盖正四棱锥的展开图,该展开图由一张固定边长为 dd cm 的正方形纸板裁剪而成。该展开图由四个全等的等腰三角形组成,每个等腰三角形的底边长为 xx cm,垂直高度为 12d\tfrac{1}{2}d cm。将该展开图折叠,得到一个底面边长为 xx cm、垂直高度为 hh cm 的四棱锥,如图 2 所示。 利用求导求出该四棱锥的最大体积(用 dd 表示)。 你不需要证明该值是最大体积。 [棱锥的体积计算公式为:13×\tfrac{1}{3}\times 底面积 ×\times 高。]

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完整解法

2

1. Use the geometric properties to express vertical height $h$ in terms of $x$ and $d$.

The slant height of the pyramid corresponds to the perpendicular height of the triangular flaps, which is given as 12d\frac{1}{2}d.
Using Pythagoras' theorem on the right-angled triangle formed by the vertical height hh, the half-base x2\frac{x}{2}, and the slant height d2\frac{d}{2}:
h2+(x2)2=(d2)2h^2 + \left(\frac{x}{2}\right)^2 = \left(\frac{d}{2}\right)^2
h=d24−x24=12d2−x2h = \sqrt{\frac{d^2}{4} - \frac{x^2}{4}} = \frac{1}{2}\sqrt{d^2 - x^2}

2. Formulate an expression for the volume $V$ in terms of $x$.

V=13×base area×hV = \frac{1}{3} \times \text{base area} \times h
V=13x2(12d2−x2)V = \frac{1}{3}x^2\left(\frac{1}{2}\sqrt{d^2 - x^2}\right)
V=16x2(d2−x2)12V = \frac{1}{6}x^2(d^2 - x^2)^{\frac{1}{2}}

3. Differentiate $V$ with respect to $x$.

Using the product rule and chain rule:
dVdx=16[2x(d2−x2)12+x2(12(d2−x2)−12(−2x))]\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{6} \left[ 2x(d^2 - x^2)^{\frac{1}{2}} + x^2 \left(\frac{1}{2}(d^2 - x^2)^{-\frac{1}{2}}(-2x)\right) \right]
dVdx=16[2xd2−x2−x3d2−x2]\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{6} \left[ 2x\sqrt{d^2 - x^2} - \frac{x^3}{\sqrt{d^2 - x^2}} \right]

4. Equate the derivative to zero to find the stationary value of $x$.

For a maximum volume, set dVdx=0\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}x} = 0:
2xd2−x2−x3d2−x2=02x\sqrt{d^2 - x^2} - \frac{x^3}{\sqrt{d^2 - x^2}} = 0
Multiply through by d2−x2\sqrt{d^2 - x^2}:
2x(d2−x2)−x3=02x(d^2 - x^2) - x^3 = 0
2d2x−3x3=02d^2x - 3x^3 = 0
Since x>0x > 0 for a valid physical length:
x(2d2−3x2)=0  ⟹  x2=23d2x(2d^2 - 3x^2) = 0 \implies x^2 = \frac{2}{3}d^2

5. Evaluate the maximum volume by substituting $x^2 = \frac{2}{3}d^2$ back into the volume formula.

Vmax=16(23d2)d2−23d2V_{\text{max}} = \frac{1}{6} \left( \frac{2}{3}d^2 \right) \sqrt{d^2 - \frac{2}{3}d^2}
Vmax=19d213d2V_{\text{max}} = \frac{1}{9}d^2 \sqrt{\frac{1}{3}d^2}
Vmax=193d3V_{\text{max}} = \frac{1}{9\sqrt{3}}d^3
Rationalising the denominator:
Vmax=327d3V_{\text{max}} = \frac{\sqrt{3}}{27}d^3

答案

327d3\frac{\sqrt{3}}{27}d^3

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