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範例 30:蜂房問題 |
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蜂房的外觀呈正六角柱狀,你知道如何計算它的表面積嗎?
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《 解答 》 |
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一個固定邊長 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:
(先將四面體ABCD截下,再將 與 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
,如果我們假設 ,那麼此柱體的表面積 會是以下的形式:
並證明當 時,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
- 體積 ,底面積為六個小的正三角形組成,邊長為,所以底面積
,得到柱高 因此周圍的表面積
- 切掉的六個小三角形面積需要注意一下,因為 是最後最高點與底面和最矮邊長的夾角,事實上的長度等於圖二中 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 |
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- 三個菱形的總面積兩對角線之積==(見圖七、八)
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
有關的函數(因為 和 都固定了),並且 在 ~ 度之間 與 是連續可微分的,
因此我們可利用微分的方法找到的極值:
註:圖一中四面體ABCD這一塊切下的同時,繞軸旋轉 ,使 與 重合,就得到圖三。
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