一个封闭容器由一个底面半径为 cm、高为 cm 的圆柱体和一个半径同为 的半球形顶部组成。 它内接于一个固定的直圆锥中,该圆锥的底面半径为 5 cm,高为 12 cm,如下图所示。

- (i)
利用相似三角形,证明 。
确定长度 所有可能取值的精确范围。
- (ii)
求用 表示的封闭容器的总体积 。
通过求导,求出当 变化时,使容器体积 达到最大值的 的精确值。[半径为 的球体体积为 。]
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完整解法
4(i)
1. Determine the slant height of the cone from its cross-section.
Let be the vertex of the cone, be the centre of its base, and be a point on the perimeter of the base.
Consider the vertical cross-section , which is right-angled at .
The vertical height and base radius .
By Pythagoras' theorem, the slant edge is:
2. Set up a similarity relationship between the cone and the inscribed container.
Let be the centre of the hemispherical top. It lies on such that , giving .
The hemisphere is tangent to the slant edge at a point . Thus, the radius to the point of tangency is perpendicular to the slant edge () and .
In and :
- (common angle)
Therefore, is similar to .
Using the ratio of corresponding sides:
3. Rearrange to show the required expression for $h$ and determine the exact range of $r$.
For the container to be physically composed of a cylinder and a hemisphere, its dimensions must be strictly positive.
Since :
Since is a length, . Therefore, the exact range of possible values for is:
4(ii)
1. Express the total volume $V$ of the closed container in terms of $r$.
The container consists of a cylinder and a hemisphere.
Substitute from part (i):
2. Differentiate $V$ with respect to $r$.
3. Set the derivative to zero and solve for the optimal value of $r$.
To find the stationary point, set :
Since for a valid physical container, we reject :
4. Verify that this value of $r$ produces a maximum volume using the second derivative test.
Substitute :
Since , the volume is indeed maximized at .
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