在一部科幻电影中,创建了一个半球形的能量保护罩(一个敞开的半球),以保护一个正在建造的用于存放致命武器的圆柱形筒仓。筒仓顶部的圆周刚好位于半球罩内,如下图所示。由于电力供应限制,生成的半球罩半径 固定为 。设圆柱形筒仓的半径和高度分别为 和 。
- (a)
证明筒仓的体积可以表示为 。求可以建造的筒仓的最大体积的精确值。

- (b)
电涌导致半球罩扩大(仍保持其半球形状),使得其体积以 的恒定速率增加。求当 时,半球罩表面积增加的精确速率。
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完整解法
3(a)
1. Establish the relationship between $x$ and $y$ using the geometry of the hemisphere and the silo.
Since the silo stands on the same flat base as the hemisphere and the circumference of its top touches the dome, we can form a right-angled triangle with the radius of the dome (), the radius of the silo (), and the height of the silo ().
By Pythagoras' Theorem:
Given ,
2. Express the volume of the silo in terms of $y$ to show the given formula.
The volume of the cylindrical silo, , is given by:
Substituting :
3. Differentiate the volume with respect to $y$ and find the value of $y$ for stationary points.
To find the maximum volume, we first find :
For stationary points, :
Since (the height must be positive):
4. Use the second derivative test to confirm that this value of $y$ gives a maximum volume.
Find the second derivative :
Substitute :
Since , the volume is a maximum when .
5. Calculate the exact maximum volume.
Substitute and into the volume formula:
3(b)
1. Relate the rate of change of volume to the rate of change of radius and solve for the radius $r$ at the given instant.
Let be the enclosed volume of the hemispherical dome.
Differentiating with respect to time :
Given and :
Since , .
2. Set up the related rate equation for the surface area of the open hemisphere.
Let be the surface area of the open hemisphere (curved surface area).
Differentiating with respect to time :
3. Calculate the exact rate of increase of the surface area.
Substitute and into the rate equation for :
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