下图显示了一个直角三棱柱。
该棱柱三角形面的高和底边长分别为 3x3x 米和 4x4x 米。棱柱的长度为 LL 米。

  1. (a)

    已知该棱柱的体积为 240 m3240\text{ m}^3,证明该棱柱的表面积 A m2A\text{ m}^2 由下式给出:
    A=12x2+480x.A = 12x^2 + \frac{480}{x}.

  2. (b)

    已知 xx 和 LL 是可变的,求使 AA 取得驻值时 xx 的值,并确定该 AA 值是极大值还是极小值。

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完整解法

10(a)

1. Express the volume of the prism in terms of $x$ and $L$ and equate to 240.

Area of triangular base =12×4x×3x=6x2= \frac{1}{2} \times 4x \times 3x = 6x^2
Volume =Base Area×Length=6x2L= \text{Base Area} \times \text{Length} = 6x^2 L
6x2L=2406x^2 L = 240

2. Express $L$ in terms of $x$.

L=2406x2=40x2L = \frac{240}{6x^2} = \frac{40}{x^2}

3. Find the length of the hypotenuse of the triangular face.

Hypotenuse =(3x)2+(4x)2=9x2+16x2=25x2=5x= \sqrt{(3x)^2 + (4x)^2} = \sqrt{9x^2 + 16x^2} = \sqrt{25x^2} = 5x

4. Formulate the expression for the total surface area $A$ and substitute $L$.

Total Surface Area A=2×(Area of triangular base)+Area of 3 rectangular facesA = 2 \times (\text{Area of triangular base}) + \text{Area of 3 rectangular faces}
A=2(6x2)+(3x)L+(4x)L+(5x)LA = 2(6x^2) + (3x)L + (4x)L + (5x)L
A=12x2+12xLA = 12x^2 + 12xL
Substitute L=40x2L = \frac{40}{x^2}:
A=12x2+12x(40x2)A = 12x^2 + 12x\left(\frac{40}{x^2}\right)
A=12x2+480xA = 12x^2 + \frac{480}{x} (Shown)

答案

A=12x2+480xA = 12x^2 + \frac{480}{x} (Shown)

10(b)

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

A=12x2+480x−1A = 12x^2 + 480x^{-1}
dAdx=24x−480x−2\frac{dA}{dx} = 24x - 480x^{-2}

2. Set the first derivative to zero to find the stationary value of $x$

For a stationary value, dAdx=0\frac{dA}{dx} = 0:
24x−480x2=024x - \frac{480}{x^2} = 0
24x3=48024x^3 = 480
x3=20x^3 = 20
x=203≈2.7144x = \sqrt[3]{20} \approx 2.7144

3. Find the second derivative to determine the nature of the stationary value

d2Adx2=24−480(−2)x−3\frac{d^2A}{dx^2} = 24 - 480(-2)x^{-3}
d2Adx2=24+960x3\frac{d^2A}{dx^2} = 24 + \frac{960}{x^3}

4. Evaluate the second derivative at the stationary point

Substitute x3=20x^3 = 20 into the second derivative:
d2Adx2=24+96020=24+48=72\frac{d^2A}{dx^2} = 24 + \frac{960}{20} = 24 + 48 = 72
Since d2Adx2>0\frac{d^2A}{dx^2} > 0, the stationary value of AA is a minimum.

答案

x=203≈2.71x = \sqrt[3]{20} \approx 2.71 (3 s.f.), Minimum

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