题目
修建一个容积为常量V的长方体地下仓库,已知仓顶和墙壁每单位面积造价分别是地面每单位面积造价的3倍和2倍.问如何设计仓库的长、宽和高,可使它的造价最小.
修建一个容积为常量V的长方体地下仓库,已知仓顶和墙壁每单位面积造价分别是地面每单位面积造价的3倍和2倍.问如何设计仓库的长、宽和高,可使它的造价最小.
题目解答
答案
将仓库设计为正方体,即长宽高相等时,造价最小.
解析
步骤 1:定义变量
设长方体地下仓库的长、宽、高分别为x、y、z,地面每单位面积造价为a,则仓顶每单位面积造价为3a,墙壁每单位面积造价为2a。仓库的容积为常量V,即V = xyz。
步骤 2:建立造价函数
仓库的造价由地面、仓顶和墙壁三部分组成。地面面积为xy,仓顶面积也为xy,墙壁面积为2xz + 2yz。因此,总造价C可以表示为:
\[ C = a(xy) + 3a(xy) + 2a(2xz + 2yz) = 4axy + 4a(xz + yz) \]
步骤 3:利用容积约束进行代换
由于V = xyz,可以将z表示为z = V/(xy),代入造价函数中,得到:
\[ C = 4axy + 4a(x\frac{V}{xy} + y\frac{V}{xy}) = 4axy + 4a(\frac{V}{y} + \frac{V}{x}) \]
步骤 4:求导数并求极值
为了使造价最小,需要对C关于x和y求偏导数,并令其等于0。首先对x求偏导数:
\[ \frac{\partial C}{\partial x} = 4ay - 4a\frac{V}{x^2} = 0 \]
解得:\[ x^2 = \frac{V}{y} \]
同理,对y求偏导数:
\[ \frac{\partial C}{\partial y} = 4ax - 4a\frac{V}{y^2} = 0 \]
解得:\[ y^2 = \frac{V}{x} \]
步骤 5:求解x、y、z
由步骤4的两个方程,可以解得x = y = z,即长、宽、高相等。将x = y = z代入容积公式V = xyz,得到:
\[ V = x^3 \]
解得:\[ x = y = z = \sqrt[3]{V} \]
设长方体地下仓库的长、宽、高分别为x、y、z,地面每单位面积造价为a,则仓顶每单位面积造价为3a,墙壁每单位面积造价为2a。仓库的容积为常量V,即V = xyz。
步骤 2:建立造价函数
仓库的造价由地面、仓顶和墙壁三部分组成。地面面积为xy,仓顶面积也为xy,墙壁面积为2xz + 2yz。因此,总造价C可以表示为:
\[ C = a(xy) + 3a(xy) + 2a(2xz + 2yz) = 4axy + 4a(xz + yz) \]
步骤 3:利用容积约束进行代换
由于V = xyz,可以将z表示为z = V/(xy),代入造价函数中,得到:
\[ C = 4axy + 4a(x\frac{V}{xy} + y\frac{V}{xy}) = 4axy + 4a(\frac{V}{y} + \frac{V}{x}) \]
步骤 4:求导数并求极值
为了使造价最小,需要对C关于x和y求偏导数,并令其等于0。首先对x求偏导数:
\[ \frac{\partial C}{\partial x} = 4ay - 4a\frac{V}{x^2} = 0 \]
解得:\[ x^2 = \frac{V}{y} \]
同理,对y求偏导数:
\[ \frac{\partial C}{\partial y} = 4ax - 4a\frac{V}{y^2} = 0 \]
解得:\[ y^2 = \frac{V}{x} \]
步骤 5:求解x、y、z
由步骤4的两个方程,可以解得x = y = z,即长、宽、高相等。将x = y = z代入容积公式V = xyz,得到:
\[ V = x^3 \]
解得:\[ x = y = z = \sqrt[3]{V} \]