题目
6.要造一圆柱形油罐,体积为V,问底半径 r 和高 h 等于多少时,才能使表面积最小?这时底直径与高的比是多少?
6.要造一圆柱形油罐,体积为V,问底半径 r 和高 h 等于多少时,才能使表面积最小?这时底直径与高的比是多少?
题目解答
答案
解:
已知
,即
,圆柱形油罐的表面积为

,
A''
令
,得
此时A''
知道
为极小值和最小值点,此时
,即2r:h=1:1
答:当底半径为
,高为
时,表面积最小,底直径与高比为1:1。
解析
步骤 1:确定圆柱体积和表面积的公式
圆柱的体积公式为$V = \pi r^2 h$,其中$r$是底半径,$h$是高。圆柱的表面积公式为$A = 2\pi r^2 + 2\pi rh$,其中$2\pi r^2$是底面积的两倍,$2\pi rh$是侧面积。
步骤 2:用体积公式表示高
由$V = \pi r^2 h$,可以解出$h = \frac{V}{\pi r^2}$。
步骤 3:将高代入表面积公式
将$h = \frac{V}{\pi r^2}$代入$A = 2\pi r^2 + 2\pi rh$,得到$A = 2\pi r^2 + 2\pi r \times \frac{V}{\pi r^2} = 2\pi r^2 + \frac{2V}{r}$。
步骤 4:求导数并找到极值点
对$A$关于$r$求导,得到$A' = 4\pi r - \frac{2V}{r^2}$。令$A' = 0$,解得$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$。再对$A'$求导,得到$A'' = 4\pi + \frac{4V}{r^3}$,在$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$时,$A'' > 0$,说明$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$是极小值点。
步骤 5:计算高
将$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$代入$h = \frac{V}{\pi r^2}$,得到$h = 2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$。
步骤 6:计算底直径与高的比
底直径为$2r$,所以底直径与高的比为$\frac{2r}{h} = \frac{2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}}{2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}} = 1$。
圆柱的体积公式为$V = \pi r^2 h$,其中$r$是底半径,$h$是高。圆柱的表面积公式为$A = 2\pi r^2 + 2\pi rh$,其中$2\pi r^2$是底面积的两倍,$2\pi rh$是侧面积。
步骤 2:用体积公式表示高
由$V = \pi r^2 h$,可以解出$h = \frac{V}{\pi r^2}$。
步骤 3:将高代入表面积公式
将$h = \frac{V}{\pi r^2}$代入$A = 2\pi r^2 + 2\pi rh$,得到$A = 2\pi r^2 + 2\pi r \times \frac{V}{\pi r^2} = 2\pi r^2 + \frac{2V}{r}$。
步骤 4:求导数并找到极值点
对$A$关于$r$求导,得到$A' = 4\pi r - \frac{2V}{r^2}$。令$A' = 0$,解得$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$。再对$A'$求导,得到$A'' = 4\pi + \frac{4V}{r^3}$,在$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$时,$A'' > 0$,说明$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$是极小值点。
步骤 5:计算高
将$r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$代入$h = \frac{V}{\pi r^2}$,得到$h = 2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}$。
步骤 6:计算底直径与高的比
底直径为$2r$,所以底直径与高的比为$\frac{2r}{h} = \frac{2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}}{2\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}} = 1$。