[半径为 的球体表面积为 ,体积为 。] 碧山东公园正中央将建造一个喷水池。它由一个半径为 的半球连接到一个半径为 、高度为 的无盖圆柱体组成(见图)。 喷水池壁的厚度忽略不计。已知当喷水池装满时,可以容纳固定体积为 的水。
- (a)
喷水池的内部需要涂上一层特殊的反光漆。半球面的喷漆成本为每平方米 美元,圆柱形池壁的喷漆成本为每平方米 美元。证明喷漆的总成本 由 给出。
- (b)
利用微分法,求出当 取得最小值时, 关于 的表达式。
- (c)
在保持 最小时,现已知 。
求 和 的数值。
- (d)
当喷水池装满时,圆柱体和半球的连接处发生渗漏。水以 /分钟的恒定速率流出。假设没有其他形式的水流失或增加,求水位下降的速率。
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完整解法
11(a)
1. Express the total volume $k$ in terms of $r$ and $h$, and make $h$ the subject.
The total volume is the sum of the volume of the hemisphere and the volume of the cylinder:
2. Formulate the total cost $C$ in terms of $r$ and $h$.
Area of the inner hemispherical surface
Area of the inner cylindrical wall
Cost of painting hemispherical surface
Cost of painting cylindrical wall
3. Substitute $h$ into the cost equation and simplify to obtain the final expression.
11(b)
1. Find the first derivative of $C$ with respect to $r$.
2. Set the first derivative to zero to find the stationary point.
3. Solve for $r$ in terms of $k$.
\n\n\n
4. Verify that this value of $r$ yields a minimum cost using the second derivative test.
\nSince and for physical dimensions, .\nThus, the cost is a minimum at .
11(c)
1. Substitute $k = 50$ into the expression for $r$ obtained in part (b) to find its numerical value.
From part (b), we established that for a minimum cost , , which gives .
Substituting :
2. Use the volume formula to find the corresponding value of $h$.
The total volume is the sum of the volumes of the cylinder and the hemisphere:
Substituting and the exact value of :
Rounding to 3 significant figures, we get:
,
,
11(d)
1. Determine the cross-sectional area of the free surface using the value of $r$ from part (c).
From part (c), the radius is .
Since the fountain is filled to the brim, the water level is initially within the cylindrical section.
The volume of water when the water level is at height above the joint in the cylinder is given by .
Differentiating with respect to , the cross-sectional area is:
2. Apply the chain rule to find the rate of decrease of the water level.
We are given the rate of water leaking, which represents the rate of change of volume with respect to time:
Using the chain rule, :
Thus, the rate at which the level of water is decreasing is (or ).
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