本题导读
本题考查几何体的表面积与体积。
📌【题干】
Question
(2011年山东卷(理)) 某企业拟建造如图所示的容器(不计厚度,长度单位:米),其中容器的中间为圆柱形,左右两端均为半球形,按照设计要求容器的容积为 立方米,且 .假设该容器的建造费用仅与其表面积有关.已知圆柱形部分每平方米建造费用为 3 千元,半球形部分每平方米建造费用为 千元.设该容器的建造费用为 千元.
(1) 写出 关于 的函数表达式,并求该函数的定义域;
(2) 求该容器的建造费用最小时的 .
🔍【思路分析】
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- 对 (1):容器由一个圆柱和两个半球(拼成一个整球)组成。
- 容积 ,消去 用 表示;
- 结合 和 确定自变量 的定义域;
- 根据圆柱侧面积 与整球面表面积 计算建造总费用 。
- 对 (2):对函数 求导,求出导函数的零点(驻点),结合参数 的取值大小,讨论驻点与定义域区间端点的相对位置,进而确定函数取得最小值时的 。
✅【答案】
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(1) 待补
(2) 待补
✍【详细解析】
Abstract
(1) 由题意,两端的两个半球合并为一个半径为 的球,中间为底面半径为 、高为 的圆柱。 容器的容积为: 两边同除以 ,得: 因为 且 ,所以: 解得: 所以该函数的定义域为 。
容器圆柱部分的侧面积为 ,每平方米建造费用为 3 千元; 两个半球形的表面积为 ,每平方米建造费用为 千元。 建造总费用 为: 将 代入,得: 故 关于 的函数表达式为: 其定义域为 。
(2) 由 (1) 知,。 对 求导数,得: 令 ,因为 ,所以 。 解得唯一的极值点: 当 时,, 单调递减; 当 时,, 单调递增。 考查极值点 与区间端点 2 的大小关系:
① 当 时,。 此时在定义域 上,,因此 恒成立, 即函数 在 上单调递减。 所以当 时,建造费用 取得最小值。
② 当 时,。 在区间 上 , 单调递减;在区间 上 , 单调递增。 所以当 时,建造费用 取得最小值。
综上所述:
- 当 时,建造费用最小时 ;
- 当 时,建造费用最小时 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:旋转体体积与表面积、函数建模消元、导数求驻点及参数分类讨论。
- 核心方法:
- 用等量关系消去变量 ;
- 不等式约束 与 共同决定定义域;
- 导数讨论最值时,将驻点 与定义域边界 作比较分类。
- 避坑指南:
- 圆柱部分只算侧面积,两端与半球相接处没有底面圆面(不可重复计入底面面积);
- 切勿忽略 的区间背景;当 时驻点在定义域外部,极值点退化为端点最值,必须分段讨论。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:经典的工业容器材料成本优化设计模型,源自人教版数学选修2-2导数在实际优化问题中的应用。
- 结论推广:形如 的成本函数,当极值点 时在内部取得最小值,当 时在边界端点 处取得最小值。
🔗【关联脉络】
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