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数学
题目

求内接于椭球(x^2)/(a^2)+(y^2)/(b^2)+(z^2)/(c^2)=1的最大长方体的体积V.下列解法过程中错误的是().A. V=(8abc)/(3sqrt(3))B. 设(x,y,z)是各面平行于坐标面的内接长方体在第一卦限内的顶点,则问题归结于求: (x^2)/(a^2)+(y^2)/(b^2)+(z^2)/(c^2)=1下,V=2x2y2z=8xyz的最大值.C. 问题可转化为拉格朗日函数为L(x,y,z,lambda)=xyz+lambda((x^2)/(a^2)+(y^2)/(b^2)+(z^2)/(c^2)-1)的极值问题D. V=(abc)/(3sqrt(3))

求内接于椭球$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$的最大长方体的体积$V$.下列解法过程中错误的是().

A. $V=\frac{8abc}{3\sqrt{3}}$

B. 设$(x,y,z)$是各面平行于坐标面的内接长方体在第一卦限内的顶点,则问题归结于求: $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$下,$V=2x2y2z=8xyz$的最大值.

C. 问题可转化为拉格朗日函数为$L(x,y,z,\lambda)=xyz+\lambda\left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1\right)$的极值问题

D. $V=\frac{abc}{3\sqrt{3}}$

题目解答

答案

CD
C. 问题可转化为拉格朗日函数为$L(x,y,z,\lambda)=xyz+\lambda\left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1\right)$的极值问题
D. $V=\frac{abc}{3\sqrt{3}}$

解析

本题考查利用拉格朗日乘数法求条件极值来解决实际问题,解题思路是先根据题目条件建立目标函数和约束条件,再构造拉格朗日函数,通过求解拉格朗日函数的驻点得到极值点,最后计算出最大体积。

  1. 分析选项B:
    设$(x,y,z)$是各面平行于坐标面的内接长方体在第一卦限内的顶点,由于长方体各面平行于坐标面,那么长方体在$x$轴方向的边长为$2x$,$y$轴方向的边长为$2y$,$z$轴方向的边长为$2z$,所以长方体体积$V = 2x\cdot2y\cdot2z = 8xyz$,同时该点$(x,y,z)$满足椭球方程$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$,所以问题归结于求$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$下,$V = 8xyz$的最大值,选项B正确。
  2. 分析选项C:
    为了求$V = 8xyz$在约束条件$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1$下的最大值,构造拉格朗日函数应该是$L(x,y,z,\lambda)=8xyz+\lambda\left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1\right)$,而不是$L(x,y,z,\lambda)=xyz+\lambda\left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1\right)$,所以选项C错误。
  3. 分析选项A和D:
    对拉格朗日函数$L(x,y,z,\lambda)=8xyz+\lambda\left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1\right)$求偏导数并令其为$0$:
    • $\frac{\partial L}{\partial x}=8yz+\frac{2\lambda x}{a^2}=0$ ①;
    • $\frac{\partial L}{\partial y}=8xz+\frac{2\lambda y}{b^2}=0$ ②;
    • $\frac{\partial L}{\partial z}=8xy+\frac{2\lambda z}{c^2}=0$ ③;
    • $\frac{\partial L}{\partial \lambda}=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1=0$ ④。
      由①得$\lambda=-4a^2\frac \frac{yz}{x}$,由②得$\lambda=-4b^2 \frac{xz}{y}$,由③得$\lambda=-4c^2 \frac{xy}{z}$。
      则$-4a^2 \frac{yz}{x}=-4b^2 \frac{xz}{y}$,化简可得$a^2y^2 = b^2x^2$,即$y=\frac{b}{a}x$;同理可得$z=\frac{c}{a}x$。
      将$y=\frac{b}{a}x$,$z=\frac{c}{a}x$代入④式可得:
      $\frac{x^2}{a^2}+\frac{(\frac{b}{a}x)^2}{b^2}+\frac{(\frac{c}{a}x)^2}{c^2}-1=0$,
      $\frac{x^2}{a^2}+\frac{x^2}{a^2}+\frac{x^2}{a^2}-1=0$,
      $\frac{3x^2}{a^2}=1$,
      解得$x=\frac{a}{\sqrt{3}}$($x\gt0$),则$y=\frac{b}{\sqrt{3}}$,$z=\frac{c}{\sqrt{3}}$。
      所以最大体积$V = 8xyz = 8\times\frac{a}{\sqrt{3}}\times\frac{b}{\sqrt{3}}\times\frac{c}{\sqrt{3}}=\frac{8abc}{3\sqrt{3}}$,选项A正确,选项D错误。

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