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箱の容積と円錐の体積、3次関数の最大を文章題で使う

1 辺 の正方形の紙から四隅を切り落として箱を作ると、切る正方形の 1 辺が のとき容積が最大になります。そのときの容積は 。

文章題ですが、式を立てると という 3 次関数です。あとは微分するだけになります[1]。

難しいのは計算ではなく、式を立てるところと、 の動ける範囲を書くところです。

箱の容積を式にする

切る正方形の 1 辺を とします。四隅を切ってふちを立ち上げると、高さが の箱ができる。

底面は正方形で、1 辺は左右から ずつ減るので です。

の範囲は 。 が 以下だと切れず、 以上だと底面が残りません。

図をかいて長さに文字を当てる

体積を 1 つの文字の式にする

文字の動ける範囲を書く

範囲を書き忘れると、範囲の外にある解を答えにしてしまいます。

微分して最大を出す

展開せずに、積のまま微分することもできますが、数学 II では展開してから微分します。

の解は と 。範囲に入るのは だけです。

で 、 で 。 で極大かつ最大になります。

です。

切る量を増やすと高さは伸びますが、底面が急に縮みます。 でつり合いがとれる。

例:長方形の紙から作る

と の長方形で同じことをします。底面は と の長方形です。

の範囲は 。短いほうの辺で決まります。

解は と 。範囲に入るのは です。

になります。

紙の大きさ切る 1 辺容積

3 つめは で、 から 。正方形の紙では 1 辺の が答えになります。

例:球に内接する円錐

半径 の球に内接する円錐で、体積が最大になるものを求めます。

円錐の高さを とします。底面の半径 は、球の中心からの距離を使って出せる。

底面は球の中心から だけ離れた平面にあるので、三平方の定理から次の関係になります。

体積の式に入れます。 の範囲は です。

微分します。

の解は と 。範囲に入るのは後者です。

体積を計算します。

球の体積 と比べると です。 割弱しか使えません。

文章題では、文字を 1 つに減らすところが山場になります。

円錐なら と の 2 つが出るが、球に内接する条件が 1 本の式をくれる。それで だけにできる。

例:円錐に内接する円柱

底面の半径 、高さ の円錐に内接する円柱で、体積が最大のものを求めます。

円柱の底面の半径を とすると、高さは相似から決まります。

体積は次のとおり。 です。

微分すると 。

で最大です。そのとき で、体積は 。

円錐の体積 の になります。

球に内接する円錐

高さは半径の 。体積は球の

円錐に内接する円柱

高さは円錐の 。体積は円錐の

どちらも比が定数になります。もとの大きさによらず、形の割合だけが決まる。

1 辺 の正方形の紙から四隅を切って箱を作るとき、容積が最大になる切る 1 辺はどれですか。

__RESULT__

を展開して微分すると 。範囲は なので です。 は の 分の 、 は 分の にあたります。

範囲の扱いも確かめます。

で の解が と のとき、答えとして採用するのはどちらですか。

  • 両方
__RESULT__

の範囲は です。 はおよそ で範囲の外なので、箱が作れません。範囲を書いておかないと、この判定ができません。

図から式を立て、文字を 1 つに減らし、範囲を書く。そこまで進めば、あとは 3 次関数の最大の問題になります。

参考文献

4.7 Applied Optimization Problems. Calculus Volume 1, OpenStax.
4.3 Maxima and Minima. Calculus Volume 1, OpenStax.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
1 辺 12 の正方形の紙から四隅を切って箱を作ると、切る 1 辺が 2 のとき容積 128 で最大になります。$V = x(12-2x)^2$ を展開して微分するだけ。難所は式を立てるところと、$0 < x < 6$ という範囲を書くところです。$16 \times 10$ の紙、球に内接する円錐、円錐に内接する円柱も同じ手順でたどれます。円錐の高さは球の半径の $\dfrac{4}{3}$ で体積は球の $\dfrac{8}{27}$、円柱は円錐の $\dfrac{4}{9}$。もとの大きさによらず比だけが決まります。