Тригонометрия

8 класс
Задача
Определить наибольший объем цилиндра, вписанного в конус с радиусом основания \(R\) и высотой \(H\) (рисунок \(10a\)).
Решение

цилиндр наибольшего объема, вписанный в конус

Рис.10a

сечение конуса с вписанным цилиндром

Рис.10b
Обозначим радиус основания вписанного цилиндра через \(x,\) а его высоту − через \(y\) (рисунок \(10b\)). Из подобия треугольников \(SKD\) и \(SOB\) следует, что \[ {\frac{{KD}}{{OB}} = \frac{{SK}}{{SO}}}\;\;\; {\text{или}\;\;\;\frac{x}{R} = \frac{{H - y}}{H}.} \] Записанное уравнение устанавливает связь между переменными \(x\) и \(y.\) Выразим \(y\) через \(x:\) \[ {\frac{x}{R} = \frac{{H - y}}{H},}\;\; {\Rightarrow HX = \left( {H - y} \right)R,}\;\; {\Rightarrow Hx = HR - Ry,}\;\; {\Rightarrow y = \frac{{HR - Hx}}{R} = H\left( {1 - \frac{x}{R}} \right).} \] Объем вписанного цилиндра выражается формулой \[V = \pi {x^2}y.\] Тогда \[ {V\left( x \right) = \pi {x^2}H\left( {1 - \frac{x}{R}} \right) } = {\pi H\left( {{x^2} - \frac{{{x^3}}}{R}} \right).} \] Найдем наибольшее значение функции \(V\left( x \right):\) \[ {V'\left( x \right) = {\left[ {\pi H\left( {{x^2} - \frac{{{x^3}}}{R}} \right)} \right]^\prime } } = {\pi H\left( {2x - \frac{{3{x^2}}}{R}} \right);} \] \[ {V'\left( x \right) = 0,}\;\; {\Rightarrow \pi H\left( {2x - \frac{{3{x^2}}}{R}} \right) = 0,}\;\; {\Rightarrow 2x - \frac{{3{x^2}}}{R} = 0,}\;\; {\Rightarrow x\left( {2 - \frac{{3x}}{R}} \right) = 0,}\;\; {\Rightarrow {x_1} = 0,\;{x_2} = \frac{{2R}}{3}.} \] Решение \({x_1} = 0\) соответствует цилиндру с нулевым объемом и не имеет физического смысла. При переходе через точку \({x_2} = \large\frac{{2R}}{3}\normalsize\) производная меняет знак с плюса на минус. Поэтому, \(x = \large\frac{{2R}}{3}\normalsize\) является точкой максимума функции \(V\left( x \right).\) Для данного основания высота цилиндра будет составлять \[ {y = H\left( {1 - \frac{x}{R}} \right) } = {H\left( {1 - \frac{{2\cancel{R}}}{{3\cancel{R}}}} \right) = \frac{H}{3}.} \] Следовательно, наибольший объем вписанного в конус цилиндра равен \[ {{V_{\max }} = \pi {x^2}y } = {\pi {\left( {\frac{{2R}}{3}} \right)^2} \cdot \frac{H}{3} } = {\frac{4}{{27}}\pi {R^2}H.} \] Это составляет \(\large\frac{4}{9}\normalsize\) от объема конуса.
8 класс Математика Простая

Ещё по теме