图示为一个实心物体,它由两个半径为 xx cm 的半球拼接在一个高为 yy cm 的圆柱两端组成。该物体的体积为 750 cm^3。

  1. (a)

    用 xx 表示 yy。

  2. (b)

    证明该物体的表面积 SS cm^2 由下式给出:S=43πx2+1500x.S = \frac{4}{3}\pi x^2 + \frac{1500}{x}.

  3. (c)

    已知 xx 是可变的,求 SS 的最小值。

    (无需证明该值是 SS 的最小值。)

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完整解法

8(a)

1. Formulate the equation for the total volume of the object

Volume of cylinder =πx2y= \pi x^2 y
Volume of two hemispheres =43πx3= \frac{4}{3}\pi x^3
Total volume =πx2y+43πx3=750= \pi x^2 y + \frac{4}{3}\pi x^3 = 750

2. Rearrange the equation to make $y$ the subject

πx2y=750−43πx3\pi x^2 y = 750 - \frac{4}{3}\pi x^3
y=750−43πx3πx2y = \frac{750 - \frac{4}{3}\pi x^3}{\pi x^2}
y=750πx2−43xy = \frac{750}{\pi x^2} - \frac{4}{3}x

答案

y=750πx2−43xy = \frac{750}{\pi x^2} - \frac{4}{3}x

8(b)

1. Express $y$ in terms of $x$ using the given volume (result from part a).

Volume=πx2y+43πx3=750\text{Volume} = \pi x^2 y + \frac{4}{3}\pi x^3 = 750
πx2y=750−43πx3\pi x^2 y = 750 - \frac{4}{3}\pi x^3
y=750πx2−43xy = \frac{750}{\pi x^2} - \frac{4}{3}x

2. Formulate the total surface area $S$ in terms of $x$ and $y$.

S=Curved surface area of cylinder+Surface area of 2 hemispheresS = \text{Curved surface area of cylinder} + \text{Surface area of 2 hemispheres}
S=2πxy+4πx2S = 2\pi x y + 4\pi x^2

3. Substitute $y$ into the surface area equation and simplify to show the given result.

S=2πx(750πx2−43x)+4πx2S = 2\pi x \left( \frac{750}{\pi x^2} - \frac{4}{3}x \right) + 4\pi x^2
S=1500x−83πx2+4πx2S = \frac{1500}{x} - \frac{8}{3}\pi x^2 + 4\pi x^2
S=43πx2+1500xS = \frac{4}{3}\pi x^2 + \frac{1500}{x}

答案

S=43πx2+1500xS = \frac{4}{3}\pi x^2 + \frac{1500}{x}

8(c)

1. Differentiate $S$ with respect to $x$

S=43πx2+1500x−1S = \frac{4}{3}\pi x^2 + 1500x^{-1}

dSdx=83πx−1500x−2\frac{\text{d}S}{\text{d}x} = \frac{8}{3}\pi x - 1500x^{-2}

2. Set the derivative to zero to find the stationary point

For a minimum value, dSdx=0\frac{\text{d}S}{\text{d}x} = 0:

83πx−1500x2=0\frac{8}{3}\pi x - \frac{1500}{x^2} = 0

83πx=1500x2\frac{8}{3}\pi x = \frac{1500}{x^2}

3. Solve for $x$

x3=1500×38πx^3 = \frac{1500 \times 3}{8\pi}

x3=11252πx^3 = \frac{1125}{2\pi}

x=11252π3≈5.63625x = \sqrt[3]{\frac{1125}{2\pi}} \approx 5.63625

4. Calculate the minimum value of $S$

Substitute x=5.63625x = 5.63625 into SS:

S=43π(5.63625)2+15005.63625S = \frac{4}{3}\pi (5.63625)^2 + \frac{1500}{5.63625}

S≈132.938+266.134=399.072S \approx 132.938 + 266.134 = 399.072

S≈399S \approx 399 (to 3 s.f.)

答案

399399 cm2^2

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