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範例 30:蜂房問題
蜂房的外觀呈正六角柱狀,你知道如何計算它的表面積嗎?
《 解答 》

一個固定邊長 width=14 的正六角柱,上方被替換成三個交於一個公共點的菱形。如下圖所示:

圖一
圖二
圖三
width="137"
width="137"
width="116"

(先將四面體ABCD截下,再將貼合,得到圖二,再對另外兩個四面體作同樣的動作,最後得到圖三)柱的底面是空的,而總體積會是一個常數,不妨設成 width="14",如果我們假設,那麼此柱體的表面積 width="11" 會是以下的形式:


並證明當 時,width="11"會有最小值。

該如何計算蜂房(圖三)的表面積呢?

由題目所述的過程中可以清楚地了解:表面積為六角柱的柱面面積(1)減掉六個小三角形(2)再加上三個菱形面積(3)。由於它是"正"六角柱構成的,所以我們可以只算一小部分的表面積即可

  1. 體積 width="14",底面積為六個小的正三角形組成,邊長為width=14,所以底面積

    ,得到柱高 因此周圍的表面積

    圖四
    width="130"
  2. 切掉的六個小三角形面積需要注意一下,因為 width=9 是最後最高點與底面和最矮邊長的夾角,事實上width=35的長度等於圖二中 的長度,用側面圖來看就可以很清楚地知道關係了(圖六)所以 ,因此六個小三角形的總面積為

    圖五
    圖六
    width=230
    width=132

  3. 三個菱形的總面積兩對角線之積(見圖七、八)

    圖七
    圖八
    width="149"
    width="131"
所以蜂房的表面積=(1)–(2) + (3)=

進一步地,我們發現總表面積呈現一個和 width="9" 有關的函數(因為 width="14"width="14"都固定了),並且 width="9"width="9"width="18" 度之間 width="37"width="36" 是連續可微分的,
因此我們可利用微分的方法找到width="11"的極值:

  • width="34"width="9" 微分:

    ,令







    如果



    圖九
    src="canswer13-html.files/img45.gif"
  • 計算









    所以,時,表面積有最小值。

  • 事實上,蜂房的形狀真的長得如此,並且研究發現 width="9" 值真的約 width="38",於是可以想見蜜蜂聰明之處,不浪費原料。

註:圖一中四面體ABCD這一塊切下的同時,繞軸width=34旋轉 width="33",使 width="16"width="14" 重合,就得到圖三。


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