一个底面半径为 rr 且高为 hh 的封闭直圆锥,其固定总表面积为 kπk\pi 单位2^2,其中 kk 是正常数。证明 r2=k2(h2+2k)r^2 = \frac{k^2}{(h^2 + 2k)}。已知 rr 和 hh 是变化的,求圆锥的最大可能体积,结果用关于 kk 的精确形式表示。 [底面半径为 rr 且高为 hh 的圆锥体积公式为 V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h,圆锥的侧面积公式为 A=πrlA = \pi r l,其中 ll 为斜高。]

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完整解法

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1. Set up the equation for the total surface area and simplify.

πr2+πrl=kπ\pi r^2 + \pi r l = k\pi
r2+rr2+h2=kr^2 + r\sqrt{r^2 + h^2} = k

2. Rearrange the equation and square both sides to eliminate the square root.

rr2+h2=k−r2r\sqrt{r^2 + h^2} = k - r^2
(rr2+h2)2=(k−r2)2(r\sqrt{r^2 + h^2})^2 = (k - r^2)^2
r2(r2+h2)=k2−2kr2+r4r^2(r^2 + h^2) = k^2 - 2kr^2 + r^4
r4+r2h2=k2−2kr2+r4r^4 + r^2 h^2 = k^2 - 2kr^2 + r^4

3. Solve for $r^2$ to obtain the required identity.

r2h2=k2−2kr2r^2 h^2 = k^2 - 2kr^2
r2h2+2kr2=k2r^2 h^2 + 2kr^2 = k^2
r2(h2+2k)=k2r^2(h^2 + 2k) = k^2
r2=k2h2+2k(shown)r^2 = \frac{k^2}{h^2 + 2k} \quad \text{(shown)}

4. Express the volume of the cone in terms of a single variable $h$.

V=13πr2hV = \frac{1}{3}\pi r^2 h
V=13π(k2h2+2k)h=πk2h3(h2+2k)V = \frac{1}{3}\pi \left(\frac{k^2}{h^2 + 2k}\right) h = \frac{\pi k^2 h}{3(h^2 + 2k)}

5. Differentiate the volume $V$ with respect to $h$ using the quotient rule.

dVdh=πk23[(h2+2k)(1)−h(2h)(h2+2k)2]\frac{dV}{dh} = \frac{\pi k^2}{3} \left[ \frac{(h^2 + 2k)(1) - h(2h)}{(h^2 + 2k)^2} \right]
dVdh=πk23[h2+2k−2h2(h2+2k)2]=πk2(2k−h2)3(h2+2k)2\frac{dV}{dh} = \frac{\pi k^2}{3} \left[ \frac{h^2 + 2k - 2h^2}{(h^2 + 2k)^2} \right] = \frac{\pi k^2(2k - h^2)}{3(h^2 + 2k)^2}

6. Set the derivative to zero to find the stationary point and verify it gives a maximum.

For a stationary point, dVdh=0\frac{dV}{dh} = 0:
2k−h2=0  ⟹  h2=2k2k - h^2 = 0 \implies h^2 = 2k
h=2k(since h>0)h = \sqrt{2k} \quad \text{(since } h > 0\text{)}
Using the first derivative test:

  • For 0<h<2k0 < h < \sqrt{2k}, 2k−h2>0  ⟹  dVdh>02k - h^2 > 0 \implies \frac{dV}{dh} > 0
  • For h>2kh > \sqrt{2k}, 2k−h2<0  ⟹  dVdh<02k - h^2 < 0 \implies \frac{dV}{dh} < 0
    Thus, VV reaches a maximum when h=2kh = \sqrt{2k}.

7. Substitute $h = \sqrt{2k}$ into the volume expression to calculate the greatest possible volume.

Vmax=πk2(2k)3((2k)2+2k)V_{\text{max}} = \frac{\pi k^2 (\sqrt{2k})}{3((\sqrt{2k})^2 + 2k)}
Vmax=πk22k3(2k+2k)=πk22k12k=πk2k12V_{\text{max}} = \frac{\pi k^2 \sqrt{2k}}{3(2k + 2k)} = \frac{\pi k^2 \sqrt{2k}}{12k} = \frac{\pi k \sqrt{2k}}{12}

答案

\frac{\pi k \sqrt{2k}}{12}

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