(20)(本小题满分 12 分,(I)小问 5 分,(II…——2013 高考数学第 20 题答案解析

2013_退役省自主命题 (2013·文)

2013 National Question 20 Free-response Differentiating
2013_退役省自主命题 (2013·文)

(20)(本小题满分 12 分,(I)小问 5 分,(II)小问 7 分)
某村庄拟修建一个无盖的圆柱形蓄水池(不计厚度)。设该蓄水池的底面半径为 $r$ 米,高为 $h$ 米,体积为 $V$ 立方米。假设建造成本仅与表面积有关,侧面积的建造成本为 100 元/平方米,底面的建造成本为 160 元/平方米,该蓄水池的总建造成本为 12000 $\pi$ 元( $\pi$ 为圆周率)。
(I)将 $V$ 表示成 $r$ 的函数 $V(r)$,并求该函数的定义域;
(II)讨论函数 $V(r)$ 的单调性,并确定 $r$ 和 $h$ 为何值时该蓄水池的体积最大.

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(I)由题意可知,蓄水池侧面积为 $2\pi rh$,底面积为 $\pi r^2$。
根据成本条件,总建造成本为:
$$100 \times 2\pi rh + 160 \times \pi r^2 = 12000\pi$$
化简得:
$$200\pi rh + 160\pi r^2 = 12000\pi$$
两边同时除以 $20\pi$,得:
$$10rh + 8r^2 = 600$$
解得 $h$ 关于 $r$ 的表达式:
$$h = \frac{600 - 8r^2}{10r} = \frac{300 - 4r^2}{5r}$$
蓄水池体积 $V = \pi r^2 h$,将 $h$ 代入得:
$$V(r) = \pi r^2 \cdot \frac{300 - 4r^2}{5r} = \frac{\pi}{5}(300r - 4r^3)$$
确定定义域:
由实际意义知 $r > 0$ 且 $h > 0$。
由 $h > 0$ 得 $\frac{300 - 4r^2}{5r} > 0$,即 $300 - 4r^2 > 0$,解得 $r^2 < 75$,即 $0 < r < 5\sqrt{3}$。
故函数 $V(r)$ 的定义域为 $(0, 5\sqrt{3})$。

(II)对 $V(r)$ 求导:
$$V'(r) = \frac{\pi}{5}(300 - 12r^2) = \frac{12\pi}{5}(25 - r^2)$$
令 $V'(r) = 0$,解得 $r = 5$ 或 $r = -5$(舍去,因 $r>0$)。
当 $r \in (0, 5)$ 时,$25 - r^2 > 0$,即 $V'(r) > 0$,函数 $V(r)$ 单调递增;
当 $r \in (5, 5\sqrt{3})$ 时,$25 - r^2 < 0$,即 $V'(r) < 0$,函数 $V(r)$ 单调递减。
因此,当 $r = 5$ 时,$V(r)$ 取得最大值。
此时高 $h$ 为:
$$h = \frac{300 - 4 \times 5^2}{5 \times 5} = \frac{300 - 100}{25} = \frac{200}{25} = 8$$
综上所述,当底面半径 $r=5$ 米,高 $h=8$ 米时,该蓄水池的体积最大。

✅ 来源:2013年 · 全国 · 2013_退役省自主命题 (2013·文) · 第 20 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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关键能力
导数与函数
difficulty
Differentiating
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