Тригонометрия

8 класс
Задача
Конус имеет объем V. При каком радиусе основания R и высоте H площадь боковой поверхности конуса является наименьшей?
Решение

конус объема V с наименьшей площадью боковой поверхности

Рис.15a

Хан Шатыр - мегаконструкция конусообразной формы

Рис.15b
Обозначим образующую конуса через m (рисунок 15a). Площадь боковой поверхности конуса выражается формулой Sбок=πRm.
Далее площадь боковой поверхности будет обозначать просто буквой S. Учитывая, что объем конуса равен V=13πR2H,
выразим высоту H через R и V: H=3VπR2.
По теореме Пифагора находим: m=H2+R2=(3VπR2)2+R2.
Тогда площадь боковой поверхности записывается как функция радиуса основания R: S=πRm=πR(3VπR2)2+R2=πR9V2π2R4+R2=πR9V2+π2R6π2R4=\cancelπ\cancelR\cancelπR\cancel29V2+π2R6=9V2+π2R6R.
Вычисляем производную: S(R)=(9V2+π2R6R)=6π2R529V2+π2R6R9V2+π2R61R2=6π2R62(9V2+π2R6)2R29V2+π2R6=4π2R618V22R29V2+π2R6=2π2R69V2R29V2+π2R6.
Производная равна нулю при условии 2π2R69V2=0,R6=9V22π2,R=69V22π2.
Видно, что при увеличении R и переходе через найденную стационарную точку производная меняет знак с минуса на плюс. Следовательно, здесь функция S(R) имеет минимум.

Определим высоту конуса: H=3VπR2=3Vπ39V22π2=3Vπ323V23213π23=313V13213π13=36Vπ.
Чтобы лучше представить форму оптимального конуса, вычислим отношение HR: HR=36Vπ69V22π2=313213V13π13:313V13216π13=\cancel313213\cancelV13\cancelπ13216\cancelπ13\cancel313\cancelV13=212=2.
Таким образом, высота конуса с наименьшей площадью боковой поверхности должна быть примерно в 1,4 раза больше радиуса основания.

Интересно, каково отношение высоты к радиусу основания такого мегасооружения конусообразной формы как Хан Шатыр (рисунок 15b)? Если площадь боковой поверхности являлась одним из критических факторов при проектировании, то, вероятно, его форма должна быть близка к полученному решению.
8 класс Математика Простая

Ещё по теме