把一个棱长是10分米的正方体,削成一个最大的圆锥圆锥的体积与正方形的体积的比是几比几?
【初中生做法】
作图如下:
很容易看出,圆锥的底圆直径不可能更大了,高也不可能更大了,这种情况下:
圆锥底面半径r=a/2,圆锥高h=a,则体积为:
V锥=πr²h/3=π(a/2)²a/3=πa³/12=V方·π/12
即:V锥 : V方=π/12≈0.2618
【高中及以上做法】
但其实,从一个正方体中切出体积最大的圆锥,上述方案并非最大方案。
如果采用下图所示方案来切,可以获得体积更大的圆锥:
以正方体对角线AG为中轴,切一个圆锥,我们来算算怎么样能获得一个体积最大的圆锥体,且算算这个体积是多少。
我们取ADGF截面,得到如下平面图形:
图形中,AD=FG=a,AF=DG=√2·a,AG=√3·a;
MN⊥AG,P为圆锥底面圆心,MN为底面直径,底面半径为MP=NP=r,圆锥高为AP=h。
圆锥不能切到正方体外面去,所以α≤β,即:tanα≤tanβ
即:NP/AP≤FG/AF=1/√2
即:h≥√2·r……①
又:MP/PG=tanβ=FG/AF=1/√2,可得:PG=√2·r
即:h=AP=AG-PG=√3·a-√2·r……②
联合①②,得到:√3·a-√2·r≥√2·r
即:r≤√6·a/4(定义域)……③
圆锥体积为:
V锥=πr²h/3=πr²(√3·a-√2·r)/3=(√3·ar²-√2·r³)·(π/3)
欲求V锥的最大值,即求(√3·ar²-√2·r³)的最大值,下面利用导数求极值:
设f(r)=√3·ar²-√2·r³导数=0(三次函数有一个极大值和一个极小值,后面判断),即:
f'(r)=2√3·ar-3√2·r²=0
r₁=0,r₂=√6·a/2
当r₁=0时,f(r)取得极小值,舍弃。
当r₂=√6·a/2时,f(r)取得极大值,但根据③式,已超出圆锥底面半径定义域。
根据三次函数性质,f(r)在[r₁,r₂]区间内单调递增,
因此,在定义域(0,√6·a/4]内的函数最大值就是r=√6·a/4时,即:
r=√6·a/4
h=√3·a-√2·r=√3·a/2……④
V锥ₘₐₓ=(√3·ar²-√2·r³)·(π/3)=[√3·a(√6·a/4)²-√2·(√6·a/4)³]·(π/3)
=a³·√3·π/16=V方·√3·π/16
即:V锥 : V方=√3·π/16≈0.3401
【注一】
0.3401 > 0.2618
所以,这样切出来的圆锥体积比第一种方法切出来的体积更大。
【注二】
根据④式,圆锥高度h是正方体对角线长度的一半;
即:按该方法可以切出两个等大的圆锥,它们底面重合,方向相反。
1/3×3.14×5×5×10=785/3.
正方体的体积是1000立方分米。
圆锥的体积与正方形的体积的比是785/3:1000.等于785:3000。等于157:600。
=1/3*3.14*25*10:10^3
=262:1000
=131/500
圆锥与正方体体积之比为131/500