该图显示了一个猫抓架,它由一个固定在实心长方体上的实心圆柱体组成。圆柱体的半径为 x cmx\text{ cm},高度为 y cmy\text{ cm}。长方体的底面是边长为 3x cm3x\text{ cm} 的正方形,高度为 x cmx\text{ cm}。 已知 xx 是可变的,

  1. (i)

    若制作该猫抓架所需的木材总体积为 1300 cm31300\text{ cm}^3,请用 xx 表示 yy。

  2. (ii)

    证明该猫抓架的总表面积 A cm2A\text{ cm}^2 由以下公式给出:
    A=2600x+12x2.A = \frac{2600}{x} + 12x^2.

  3. (iii)

    求 AA 的驻值,

  4. (iv)

    确定该 AA 的驻值是极大值还是极小值。

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完整解法

11(i)

1. Formulate the expression for the total volume of the stand

Volume of cylinder=πx2y\text{Volume of cylinder} = \pi x^2 y
Volume of cuboid=(3x)2(x)=9x3\text{Volume of cuboid} = (3x)^2(x) = 9x^3
Total volume=πx2y+9x3\text{Total volume} = \pi x^2 y + 9x^3

2. Equate the total volume to 1300 and make $y$ the subject

πx2y+9x3=1300\pi x^2 y + 9x^3 = 1300
πx2y=1300−9x3\pi x^2 y = 1300 - 9x^3
y=1300−9x3πx2y = \frac{1300 - 9x^3}{\pi x^2}

答案

y=1300−9x3πx2y = \frac{1300 - 9x^3}{\pi x^2}

11(ii)

1. Recall the expression for $y$ from part (i)

From part (i), the volume is V=πx2y+(3x)(3x)(x)=1300V = \pi x^2 y + (3x)(3x)(x) = 1300.
πx2y+9x3=1300\pi x^2 y + 9x^3 = 1300
y=1300−9x3πx2y = \frac{1300 - 9x^3}{\pi x^2}

2. Formulate the expression for the total surface area of the stand

The total surface area AA consists of:

  • The curved surface area of the cylinder: 2πxy2\pi x y
  • The top circular face of the cylinder: πx2\pi x^2
  • The exposed top face of the cuboid: (3x)2−πx2=9x2−πx2(3x)^2 - \pi x^2 = 9x^2 - \pi x^2
  • The four rectangular side faces of the cuboid: 4×(3x×x)=12x24 \times (3x \times x) = 12x^2
  • The bottom square face of the cuboid: (3x)2=9x2(3x)^2 = 9x^2

Total area A=2πxy+πx2+(9x2−πx2)+12x2+9x2A = 2\pi x y + \pi x^2 + (9x^2 - \pi x^2) + 12x^2 + 9x^2
A=2πxy+30x2A = 2\pi x y + 30x^2

3. Substitute $y$ into the area expression to show the given formula

Substitute y=1300−9x3πx2y = \frac{1300 - 9x^3}{\pi x^2} into AA:
A=2πx(1300−9x3πx2)+30x2A = 2\pi x \left( \frac{1300 - 9x^3}{\pi x^2} \right) + 30x^2
A=2(1300−9x3)x+30x2A = \frac{2(1300 - 9x^3)}{x} + 30x^2
A=2600x−18x3x+30x2A = \frac{2600}{x} - \frac{18x^3}{x} + 30x^2
A=2600x−18x2+30x2A = \frac{2600}{x} - 18x^2 + 30x^2
A=2600x+12x2A = \frac{2600}{x} + 12x^2 (shown)

答案

A=2600x+12x2A = \frac{2600}{x} + 12x^2

11(iv)

1. Find the second derivative of $A$ with respect to $x$

From part (iii), dAdx=−2600x−2+24x\frac{dA}{dx} = -2600x^{-2} + 24x.

d2Adx2=ddx(−2600x−2+24x)\frac{d^2A}{dx^2} = \frac{d}{dx}(-2600x^{-2} + 24x)
d2Adx2=5200x−3+24\frac{d^2A}{dx^2} = 5200x^{-3} + 24

2. Evaluate the sign of the second derivative to determine the nature of the stationary value

Since xx is a length, x>0x > 0.
Therefore, d2Adx2=5200x3+24>0\frac{d^2A}{dx^2} = \frac{5200}{x^3} + 24 > 0.
Since the second derivative is positive, the stationary value is a minimum.

答案

Minimum

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