[已知半径为 rr 的球体的表面积和体积分别为 4πr24\pi r^2 和 43πr3\frac{4}{3}\pi r^3。] 一家制造商生产障碍物,该障碍物由一个半径为 r cmr\text{ cm} 的半球与一个底面半径为 r cmr\text{ cm}、高为 h cmh\text{ cm} 的圆柱体拼接而成(见图)。 制造商决定每个障碍物的外表面积(不包括底面)为 16200 cm216200\text{ cm}^2。
利用微分,求障碍物最大体积的精确值。

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完整解法

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1. Formulate an equation for the external surface area excluding the base.

The external surface area consists of the curved surface area of the cylinder and the curved surface area of the hemisphere.
2πrh+2πr2=162002\pi rh + 2\pi r^2 = 16200

2. Express the height $h$ in terms of $r$.

2πrh=16200−2πr22\pi rh = 16200 - 2\pi r^2
h=16200−2πr22πrh = \frac{16200 - 2\pi r^2}{2\pi r}
h=8100πr−rh = \frac{8100}{\pi r} - r

3. Formulate an equation for the volume of the barrier in terms of $r$ and $h$.

The volume VV is the sum of the volumes of the cylinder and the hemisphere:
V=πr2h+23πr3V = \pi r^2 h + \frac{2}{3}\pi r^3

4. Express the volume $V$ entirely in terms of $r$.

V=πr2(8100πr−r)+23πr3V = \pi r^2 \left( \frac{8100}{\pi r} - r \right) + \frac{2}{3}\pi r^3
V=8100r−πr3+23πr3V = 8100r - \pi r^3 + \frac{2}{3}\pi r^3
V=8100r−13πr3V = 8100r - \frac{1}{3}\pi r^3

5. Differentiate $V$ with respect to $r$.

dVdr=8100−πr2\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 8100 - \pi r^2

6. Equate the derivative to zero to find the stationary value of $r$.

For maximum volume, dVdr=0\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 0:
8100−πr2=08100 - \pi r^2 = 0
πr2=8100\pi r^2 = 8100
r2=8100πr^2 = \frac{8100}{\pi}
r=90π(since r>0)r = \frac{90}{\sqrt{\pi}} \quad \text{(since } r > 0 \text{)}

7. Verify that this value of $r$ gives a maximum volume using the second derivative test.

d2Vdr2=−2πr\frac{\mathrm{d}^2V}{\mathrm{d}r^2} = -2\pi r
When r=90πr = \frac{90}{\sqrt{\pi}}, d2Vdr2=−2π(90π)<0\frac{\mathrm{d}^2V}{\mathrm{d}r^2} = -2\pi \left( \frac{90}{\sqrt{\pi}} \right) < 0.
Since the second derivative is negative, the volume is maximized.

8. Calculate the exact maximum volume.

V=8100(90π)−13π(90π)3V = 8100 \left( \frac{90}{\sqrt{\pi}} \right) - \frac{1}{3}\pi \left( \frac{90}{\sqrt{\pi}} \right)^3
V=729000π−13π(729000ππ)V = \frac{729000}{\sqrt{\pi}} - \frac{1}{3}\pi \left( \frac{729000}{\pi\sqrt{\pi}} \right)
V=729000π−243000πV = \frac{729000}{\sqrt{\pi}} - \frac{243000}{\sqrt{\pi}}
V=486000πV = \frac{486000}{\sqrt{\pi}}

答案

486000π\frac{486000}{\sqrt{\pi}}

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