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99 台灣大學微積分(B) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

99學年度 · 99台大微積分B · 第 8 題

題目

Problem

二、計算題:必須有計算過程,才予以計分。

  1. 周長為 24 的三角形,繞其中一邊旋轉,則旋轉體的體積最大為多少?此時三邊長為多少?(15%)(15\%)

解答

解法一

思路

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  • 以被旋轉的邊作軸,三角形旋轉後可視為兩個共底圓錐;體積只與該邊長 cc 及對應高 hh 有關。
  • 固定 cc 與周長時,面積(也就是 ch/2ch/2)在其餘兩邊相等時最大,再把問題化為單變數極值。

答題過程

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設旋轉軸那一邊長為 cc,對應高為 hh。旋轉後兩個圓錐的體積相加,得到

V=13πch2.V=\frac13\pi ch^2.

固定 cc 時,另兩邊和是 24−c24-c;三角形面積在另兩邊相等時最大。故令另兩邊皆為 (24−c)/2(24-c)/2,其高滿足

h2= (24−c2)2−(c2)2= 144−12c.\begin{align*} h^2 =&\,\left(\frac{24-c}{2}\right)^2-\left(\frac c2\right)^2\\[4mm] =&\,144-12c. \end{align*}

於是

V=π3c(144−12c)=4πc(12−c).V=\frac\pi3c(144-12c)=4\pi c(12-c).

在 0<c<120<c<12 中,c(12−c)c(12-c) 於 c=6c=6 最大。因此

Vmax⁡=144π.\boxed{V_{\max}=144\pi}.

此時另兩邊皆為 99,三邊長為 6,9,9\boxed{6,9,9},並繞長為 66 的邊旋轉。