一个无盖的金属水箱呈直圆柱体形状。制造该水箱所用金属的总成本为固定金额 $A。用于制作底面的金属每单位面积成本为 $B,用于制作侧面的金属每单位面积成本为 $C,其中 B 和 C 为常数。
已知水箱底面半径为 rr,用 rr、AA、BB 和 CC 表示水箱的体积 VV。
利用微分法求,当水箱体积最大时,用于制作底面的金属成本(用 AA 表示)。

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完整解法

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1. Formulate the equation for total cost $A$ and express height $h$ in terms of $r$, $A$, $B$, and $C$.

Let the height of the cylinder be hh.
Area of base = πr2\pi r^2
Area of curved surface = 2πrh2\pi r h
Total cost, A=B(πr2)+C(2πrh)A = B(\pi r^2) + C(2\pi r h)
2πrhC=A−Bπr22\pi r h C = A - B\pi r^2
h=A−Bπr22πrCh = \dfrac{A - B\pi r^2}{2\pi r C}

2. Express the volume $V$ of the tank in terms of $r$, $A$, $B$, and $C$.

Volume of a cylinder, V=πr2hV = \pi r^2 h
V=πr2(A−Bπr22πrC)V = \pi r^2 \left( \dfrac{A - B\pi r^2}{2\pi r C} \right)
V=r(A−Bπr2)2CV = \dfrac{r(A - B\pi r^2)}{2C}
V=Ar−Bπr32CV = \dfrac{Ar - B\pi r^3}{2C}

3. Differentiate $V$ with respect to $r$ and equate to zero to find the condition for maximum volume.

dVdr=A−3Bπr22C\dfrac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = \dfrac{A - 3B\pi r^2}{2C}
For maximum volume, dVdr=0\dfrac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 0.
A−3Bπr22C=0\dfrac{A - 3B\pi r^2}{2C} = 0
A−3Bπr2=0A - 3B\pi r^2 = 0

4. Perform the second derivative test to justify that the volume is a maximum.

d2Vdr2=−6Bπr2C=−3BπrC\dfrac{\mathrm{d}^2V}{\mathrm{d}r^2} = \dfrac{-6B\pi r}{2C} = -\dfrac{3B\pi r}{C}
Since the constants BB and CC represent costs, and rr is a length, B,C,r>0B, C, r > 0.
Therefore, d2Vdr2<0\dfrac{\mathrm{d}^2V}{\mathrm{d}r^2} < 0, which confirms that the volume is a maximum.

5. Find the cost of the base in terms of $A$ at the maximum volume.

From A−3Bπr2=0A - 3B\pi r^2 = 0, we have:
3Bπr2=A3B\pi r^2 = A
Bπr2=A3B\pi r^2 = \dfrac{A}{3}
Since the cost of the base is represented by B(πr2)B(\pi r^2), the cost of the base is A3\dfrac{A}{3}.

答案

V=Ar−Bπr32CV = \dfrac{Ar - B\pi r^3}{2C}

Cost of base = A3\dfrac{A}{3}

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