Logo Serwisu Media Nauka

zadanie

Zadanie - zastosowanie pochodnej funkcji w zadaniu z treścią


Jakie wymiary powinna mieć metalowa puszka w kształcie walca, aby przy określonej pojemności V zużyć możliwie najmniej blachy do jej wykonania?


ksiązki Rozwiązanie zadania uproszczone

walecV=\pi r^2h\\ h=\frac{V}{\pi r^2}\\ S=2\pi r^2+2\pi rh=2\pi r^2+2\pi r\cdot \frac{V}{\pi r^2}\\ S=2\pi r^2+\frac{2V}{r}\\ S'=4\pi r-\frac{2V}{r^2}\\ S'=0\\ \frac{4\pi r^3}{r^2}-\frac{2V}{r^2}=0\\ 4\pi r^3-2V=0/:4\pi \\r^3=\frac{2V}{4\pi} \\ r_{min}=\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}\\ h_{min}=\frac{V}{\pi r^2}=\frac{V}{\pi \sqrt[3]{\frac{V^2}{4\pi ^2}}}=\frac{V\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi }}}{\pi\cdot \frac{V}{2\pi}}=\frac{1}{2}\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}=\frac{1}{2}r_{min}


ksiązki Rozwiązanie zadania ze szczegółowymi wyjaśnieniami

Rysunek przedstawia kształt puszki. Wprowadzamy oznaczenia: walec
h - wysokość puszki (walca)
r - promień podstawy puszki (koła)
V - objętość walca (pojemność puszki)
S - pole powierzchni walca (ilość zużytej blachy)

Korzystamy ze wzoru na pole powierzchni walca:

S=2\pi r^2+2\pi rh

Jeśli go nie pamiętasz, łatwo go można sobie wyprowadzić. Pole powierzchni walca jest równe polu obu podstaw (dwa razy pole koła) oraz polu powierzchni ściany bocznej (prostokąt o bokach długość równych wysokości walca oraz obwodowi koła, stanowiącego podstawę walca).

Mamy funkcję dwóch zmiennych (r i h). Skorzystajmy więc z danego w zadaniu V, czyli wzoru na objętość walca (pole podstawy razy wysokość):

V=\pi r^2h

Z drugiego równania wyznaczymy h w wstawimy do wzoru na pole powierzchni.

V=\pi r^2h/:\pi r^2 \\ h=\frac{V}{\pi r^2}\\ S=2\pi r^2+2\pi rh\\ S=2\pi r^2+2\cancel{\pi r} \cdot \frac{V}{\cancel{\pi} r^{\cancel{2}}}\\ S=2\pi r^2+\frac{2V}{r} tło tło

Mamy do czynienia z funkcją jednej zmiennej r (V jest daną liczbą). Szukamy minimum (ekstremum) w punktach w których pochodna przyjmuje wartość zero. Obliczamy więc pochodną funkcji S(r) (względem zmiennej r)

S=2\pi r^2+2V\cdot r^{-1} \\ S'=2\pi \cdot 2r+2V\cdot (-1)\cdot r^{-2}\\ S'=4\pi r-\frac{2V}{r^2}

Pochodna jest równa zeru:

S'=0\\ 4\pi r-\frac{2V}{r^2}=0\\ 4\pi r\cdot \frac{r^2}{r^2}-\frac{2V}{r^2}=0\\ \frac{4\pi r^3-2V}{r^2}=0

Ułamek jest równy zeru, gdy jego licznik jest równy zero.

4\pi r^3-2V=0\\ 4\pi r^3=2V/:4\pi\\ r^3=\frac{2V}{4\pi}\\ r=\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}

W tym punkcie mamy ekstremum o ile pochodna zmienia znak. Zbadajmy znak pochodnej:

S'>0\\ \frac{4\pi r^3-2V}{r^2}>0

W mianowniku ułamka jest kwadrat liczby (jest dodatni), więc licznik również musi być dodatni:

4\pi r^3-2V>0/:4\pi\\ r^3-\frac{2V}{4\pi}>0 \\ r^3-(\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}})^3>0

Skorzystamy ze wzoru skróconego mnożenia:

a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)

Mamy więc:

(r-\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}})(r^2+2r\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}+(\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}})^2)>0

Drugi człon jest dodatni (mamy sumę dodatnich czynników), a iloczyn dwóch liczb jest dodatni, gdy obie liczby są dodatnie lub ujemne (ten przypadek tutaj nie występuje). Możemy więc napisać, że:

r-\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}>0\\ r>\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}

Analogicznie możemy napisać, że:

S'<0 \Leftrightarrow r<\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}

Zatem w punkcie r=\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}} pochodna przechodzi ze znaku ujemnego w dodatni - funkcja S(r) osiąga minimum

r_{min}=\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}

Musimy jeszcze znaleźć wymiar h:

h_{min}=\frac{V}{\pi r^2}=\frac{V}{\pi (\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}})^2}=\frac{V}{\pi \sqrt[3]{\frac{V^2}{4\pi ^2}}}=\frac{V\cdot \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}}{\pi \sqrt[3]{\frac{V^2}{4\pi ^2}}\cdot \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}}=\frac{V\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi }}}{\pi\cdot \frac{V}{2\pi}}=\frac{1}{2}\sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}}=\frac{1}{2}r_{min}

Zatem na wykonanie puszki zużyjemy najmniej blachy, jeżeli średnica (2 razy promień) podstawy będzie równa wysokości puszki.

ksiązki Odpowiedź

Puszka powinna mieć wymiary r_{min}=\sqrt[3]{\frac{2V}{4\pi}}, \ h_{min}=\frac{1}{2}r_{min}

© medianauka.pl, 2010-09-29, ZAD-946


Logika i zbiory

Zbiory

Liczby

Liczby

Funkcje

Funkcje

Równania i nierówności

Równania

Analiza

Analiza

Geometria

Geometria

Prawdopodobieństwo

Probabilistyka



Polecamy koszyk


© Media Nauka 2008-2017 r.