下图所示的封闭容器由一个高为 的圆柱体和一个圆锥体拼接而成。圆柱体和圆锥体具有相同的底面半径 ,且圆锥的母线与垂直方向成 角。容器的体积为 。

- (i)
证明该封闭容器的表面积 为
- (ii)
求使表面积最小的 的值,答案保留 3 位有效数字。
[半径为 、高为 的圆锥的体积为 。半径为 、母线长为 的圆锥的侧面积为 。]
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完整解法
9(i)
1. Find the height and slant height of the cone in terms of $r$.
Let be the height of the cone and be its slant height.
Using trigonometry on the right-angled triangle formed by the cone's vertical axis, its base radius, and its slant edge:
2. Express the height of the cylinder, $h$, in terms of $r$ using the given container volume.
The total volume is the sum of the volume of the cylinder and the volume of the cone:
Substitute :
3. Formulate the total surface area $A$ and simplify to the required expression.
The total surface area consists of the circular base, the curved surface of the cylinder, and the curved surface of the cone:
Substitute and into the equation:
A = 3\pi r^2 - \frac{2\sqrt{3}\pi r^2}{3} + \frac{140}{r}
9(ii)
1. Differentiate the given area formula with respect to $r$.
2. Equate the derivative to zero and solve for $r$.
For a stationary point, .
3. Verify that this value of $r$ gives a minimum surface area using the second derivative test.
Since and , we have .
Therefore, the surface area is a minimum.
2.29
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