Математика

 

 

Тема: Производная

 

Урок: Производная в задачах на прямоугольный параллелепипед

 

1. Задача 1 на прямоугольный параллелепипед

 

 

Рассматриваются всевозможные прямоугольные параллелепипеды, основания которых квадраты, а каждая из боковых граней имеет периметр . Найти среди них параллелепипед с наибольшим объемом и вычислить его объем.

 

Решение.

Напомним, прямоугольным называется параллелепипед, у которого в основании лежит прямоугольник, и боковые ребра перпендикулярны к плоскости основания.

Нам важны три измерения этого параллелепипеда. Так как в основании лежит квадрат, то его стороны обозначим через , третье измерение параллелепипеда обозначим через  (см. рис. 1).

Рис. 1. Прямоугольный параллелепипед и его измерения.

Объем любого прямоугольного параллелепипеда – это произведение трех его измерений. Надо найти такой параллелепипед, чтобы его объем был максимальным (смотрим прямоугольный параллелепипед формулы), то есть 

. Между  и  есть связь. Сказано, что  или . Заметим, что , .

Мы бы могли решить эту задачу, если бы функция   зависела от одной переменной, а она зависит от двух переменных  и . Одну из них можно выразить через связь . Отсюда . Подставим полученное выражение в функцию: . Теперь задачу можно свести к типовой задаче: найти  на отрезке .

1) Найдем производную

    – критические точки.

Достаточно сравнить значение функции на концах отрезка и в тех критических точках, которые попадают на данный отрезок. Продемонстрируем, что точка  - точка максимума. Для этого проанализируем знак производной (см. рис.2).

Рис. 2. Интервалы знакопостоянства производной.

Найдем значение функции в точках:

Если , тогда . Найдем объем .

Итак, мы искали такой прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат, и периметр боковой грани равен 6. Нужно было среди всех таких параллелепипедов найти тот параллелепипед, который имеет наибольший объем. Мы свели задачу к алгебраической, то есть к задаче по нахождению наибольшего значения функции  на заданном отрезке. Получили ответ: параллелепипед имеет измерения . А наибольший объем .

 

2. Задача 2 на прямоугольный параллелепипед

 

 

Рассматриваются всевозможные прямоугольные параллелепипеды, объем каждого из которых равен , а основаниями являются квадраты. Найти среди них параллелепипед с наименьшим периметром боковой грани и вычислить этот периметр.

 

Рис. 3. Прямоугольный параллелепипед и егобоковые грани и измерения.

Решение.

Так как в основании параллелепипеда – квадрат, то одна его сторона равна  и вторая – , боковое ребро –  (см. рис.3). Известно, что объем этих параллелепипедов -. Надо найти параллелепипед с наименьшим периметром боковой грани. Периметр боковой грани равен . Этот периметр должен быть наименьшим: . Итак, нужно минимизировать данную функцию, которая зависит от двух переменных   и  . Эти переменные связаны геометрической зависимостью . Выразим , тогда .

Найдем производную .

, отсюда  и  - критические точки.

Найдем интервалы знакопостоянства производной и посмотрим является ли точка  точкой минимума (см. рис.4).

Рис. 4. Интервалы знакопостоянства производной.

Таким образом, точка  является точкой минимума. Напомним, мы должны найти такую точку, при которой периметр будет наименьшим. Выяснили, что на всем промежутке  значение функции в точке  является наименьшим, так как на промежутке  функция убывает, а на промежутке  – возрастает. Точка экстремума на промежутке  - единственная.

Найдем . И, наконец, найдем  .

Итак, требовалось найти такой параллелепипед, у которого наименьший периметр боковой грани и вычислить этот периметр. Параллелепипед нашли, он имеет измерения . Наименьшее значение периметра боковой грани равно .

 

3. Итог урока "Производная в задачах на прямоугольный параллелепипед, формулы"

 

 

Итак, мы рассмотрели стереометрические задачи на экстремум, которые решаются с помощью производной. Решили две взаимно обратные задачи на прямоугольный параллелепипед с использованием формул и боковых сторон параллелепипеда. В первой задаче нужно было найти максимальное значение объема, а во второй – наименьшее значение периметра в прямоугольном параллелепипеде. Эти задачи, как и в планиметрии, решаются следующим образом: составляется нужная функция, она оказывается функцией двух переменных, выписываются геометрические связи, они позволяют выразить одну переменную через другую и получить функцию только от одной переменной. Дальше применяя производную, можно успешно решить задачу.

 

 

Список рекомендованной литературы по теме "Прямоугольный параллелепипед формулы", "Боковые стороны параллелепипеда"

1. Алгебра и начала анализа, 10 класс (в двух частях). Учебник для общеобразовательных учреждений (профильный уровень) под ред. А. Г. Мордковича. –М.: Мнемозина, 2009.

2. Алгебра и начала анализа, 10 класс (в двух частях). Задачник  для общеобразовательных учреждений (профильный уровень) под ред. А. Г. Мордковича. –М.: Мнемозина, 2007.

3. Виленкин Н.Я., Ивашев-Мусатов О.С., Шварцбурд С.И. Алгебра и математический анализ для 10 класса (учебное пособие для учащихся школ и классов с углубленным изучением математики).-М.: Просвещение, 1996.

4. Галицкий М.Л., Мошкович М.М., Шварцбурд С.И. Углубленное изучение алгебры и математического анализа.-М.: Просвещение, 1997.

5. Сборник задач по математике для поступающих во ВТУЗы (под ред. М.И.Сканави).-М.:Высшая школа, 1992.

6. Мерзляк А.Г., Полонский В.Б., Якир М.С. Алгебраический тренажер.-К.: А.С.К., 1997.

7. ЗвавичЛ.И., Шляпочник Л.Я., Чинкина Алгебра и начала анализа. 8-11 кл.: Пособие для школ и классов с углубленным изучением математики (дидактические материалы).-М.: Дрофа, 2002.

8. Саакян С.М., Гольдман А.М., Денисов Д.В. Задачи по алгебре и началам анализа (пособие для учащихся 10-11 классов общеобразов. учреждений).-М.: Просвещение, 2003.

9. Карп А.П. Сборник задач по алгебре и началам анализа : учеб. пособие для 10-11 кл. с углубл. изуч. математики.-М.: Просвещение, 2006.

10. Глейзер Г.И. История математики в школе. 9-10 классы (пособие для учителей).-М.: Просвещение, 1983

 

Дополнительные веб-ресурсы

1. Интернет-портал Mathematics.ru (Источник). 

2. Портал Естественных Наук (Источник). 

3. Интернет-портал Exponenta.ru (Источник).

 

Сделай дома - решение задач на прямоугольный параллелепипед, как найти сторону прямоугольного параллелепипеда

№ 46.59, 46.50 (Алгебра и начала анализа, 10 класс (в двух частях). Задачник  для общеобразовательных учреждений (профильный уровень) под ред. А. Г. Мордковича. –М.: Мнемозина, 2007.)