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由一道中学体积问题的扩展研究论文
问题:长方形纸片,长32cm,宽20cm,求所围成的无盖长方体的最大体积。
首先想到
将长方形的20cm边四等分,在两顶角裁剪=5cm的正方形纸片,将剪下的两个纸片补到对边的中间,使得左右对称,如图所示。
此时,将这个纸片四边折起将为成一个长方体,此时的体积为:
若对长方体的30cm的边进行裁剪,即对20cm边四等分,每个所裁剪的小正方形的边长为8cm,和上述过程同样,如图所示,
此时所围成的长方体的体积为:
由此可见,V的大小与所裁剪的长方形的边长时有关系的,下设长方形的两边分别为和,试探究党所围成的长方体的体积最大时,两边之间的关系。如下图所示。
假设所要裁剪的边为,则
即有
令,得
0,则说明当时,体积取得最大值。
由于,则为了采取方便,取=29,则此时=22,
由于剩余纸片可利用,则可把原来纸片进行裁剪,使得长为29,宽为22,此时还剩余纸片,具体步骤如下图所示:
此时对29cm边进行裁剪,截取两个小正方形,所围成的长方体的体积为:
若把剩余的纸片再利用,可以将纸片裁剪然后接在刚才所围成的无盖长方体的上端来增加高度,设所增加的高度为,由此增加的高的为,如图所示,
则
即把剩余纸片裁剪成长为2(4.5+14.75)cm,宽为0.034cm的长方形,此时剩余面积为,
综上所述,设增加高度后的体积是,则
(保留两位有效数字)
下面抛开纸片,在理论上计算该问题中长方体体积的最大值。
舍所围成的长方体的三边分别为:,,,则又题意有
即求
使得
相应的拉格朗日函数为:
将拉格朗日函数分别对求偏导,得
令以上四个式子都为0,则可得
,其中
则(保留两位有效数字)
由此可见,经过操作后得到的最大值与理论上的最大值相对误差为,则可以认为是在误差允许下的最大体积。
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