一个圆锥形杯子由厚度可忽略不计的纸张制成,用于盛装 的液体。该开口倒置圆锥的半径为 ,高为 ,如上图所示。杯子的外表面积记为 。制造商希望通过使 的值最小化来降低生产成本。

- (a)
用 表示 。
- (b)
通过考虑 或利用其他方法,证明 。
- (c)
求使 取得最小值的 的准确值,并证明此时 确实为最小值。
同时也求出半径与高之比 ,用 的形式表示你的答案,其中 是一个待确定的常数。
- (d)
制造商决定使用在第 (c) 问中求得的比值 来制作具有最小外表面积的纸杯。
纸杯中装满了水。然而,杯底有一个小孔,导致水以每秒 的速率漏出。求在水深为 的瞬间,水深下降的速率。
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完整解法
10(a)
1. Equate the formula for the volume of a cone to the given volume.
2. Make $h$ the subject of the equation.
10(b)
1. Express $A^2$ entirely in terms of $r$.
From part (a), the volume is , which gives .
The external surface area is .
Squaring both sides:
Substituting :
2. Differentiate $A^2$ implicitly with respect to $r$.
Differentiating both sides with respect to :
3. Divide by 2 to obtain the final expression.
Dividing the entire equation by 2:
(Shown)
10(c)
1. Set the given derivative to zero to find the stationary value of $r$.
For a stationary value, .
Since (external surface area), we have .
Using the result from part (b):
2. Use the first derivative test to prove that this value of $r$ gives a minimum area.
We test the sign of around the exact value .
Since is positive, the sign of is determined by the term .
- For : , so .
- For : , so .
Since the gradient of changes from negative to positive at , is a minimum.
3. Express the ratio $\frac{r}{h}$ in terms of $r$ using the volume formula.
From the volume of the cone given in the question stem, :
The ratio is therefore:
4. Evaluate the exact ratio using the stationary value found.
Since at the minimum, we can find by taking the square root:
Substitute this into our expression for the ratio:
(This matches the required form with .)
10(d)
1. Find the minimum ratio $\frac{r}{h}$ using the result from part (c).
From part (a), .
For minimum , .
Thus, the required ratio is .
2. Formulate the volume of water $V$ in terms of its depth $x$.
Let the depth of water be and the radius of the water's surface be .
By similar triangles, the ratio of radius to depth is constant:
The volume of water is:
3. Apply the chain rule to relate the rates of change of volume and depth.
Differentiating with respect to time :
4. Substitute the given values to find the rate of decrease of the depth.
The water leaks out at , so .
At the instant when :
Since is negative, the rate of decrease of the depth is .
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