7447. Конус описан около куба следующим образом: четыре вершины куба лежат в плоскости основания конуса, а четыре другие вершины — на его боковой поверхности. Какой наименьший объём может иметь такой конус, если ребро куба равно
a
?
Ответ.
\frac{9}{8}\pi a^{3}
.
Решение. Пусть вершины
A
,
B
,
C
,
D
куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
(рис. 1) лежат на боковой поверхности конуса с вершиной
P
, а вершины
A_{1}
,
B_{1}
,
C_{1}
,
D_{1}
— в плоскости основания (
AA_{1}\parallel BB_{1}\parallel CC_{1}\parallel DD_{1}
). Проведём осевое сечение конуса, проходящее через вершины
A
и
C
куба. Получим равнобедренный треугольник
PMN
(рис. 2), в который вписан прямоугольник
ACC_{1}A_{1}
, вершины
A
и
C
которого лежат на боковых сторонах
PM
и
PN
соответственно, а вершины
A_{1}
и
C_{1}
— на основании
MN
, причём
CC_{1}=AA_{1}=a
,
A_{1}C_{1}=AC=a\sqrt{2}
.
Пусть
PO=h
— высота конуса,
OM=ON=r
— радиус его основания. Из подобия треугольников
APC
и
MPN
следует, что
\frac{PO}{MN}=\frac{PO-AA_{1}}{AC},~\mbox{или}~\frac{h}{2r}=\frac{h-a}{a\sqrt{2}},

откуда находим, что
r=\frac{ah\sqrt{2}}{2(h-a)}
. Обозначим через
V(h)
объём конуса. Тогда
V(h)=\frac{1}{3}\pi r^{2}h=\frac{1}{6}\pi a^{2}\cdot\frac{h^{3}}{(h-a)^{2}}.

Таким образом, задача сводится к нахождению наибольшего значения функции
V(h)=\frac{1}{6}\pi a^{2}\cdot\frac{h^{3}}{(h-a)^{2}}
на луче
(a;+\infty)
.
Решив уравнение
V'(h)=0
, найдём критические точки функции
V(h)
. Рассмотрим только те из них, которые принадлежат промежутку
(a;+\infty)
.
V'(h)=\frac{1}{6}\pi a^{2}\left(\frac{h^{3}}{(h-a)^{2}}\right)'=\frac{1}{6}\pi a^{2}\frac{3h^{2}(h-a)^{2}-2h^{3}(h-a)}{(h-a)^{4}}=

=\frac{1}{6}\pi a^{2}\frac{h^{2}(h-a)(3(h-a)-2h)}{(h-a)^{4}}=\frac{1}{6}\pi a^{2}\frac{h^{2}(h-3a)}{(h-a)^{3}}=0.

Промежутку
(a;+\infty)
принадлежит единственный корень этого уравнения
h=3a
. При переходе через точку
h=3a
производная меняет знак с минуса на плюс. Значит, на промежутке
(0;3a)
функция
V(h)
убывает, а на промежутке
(3a;+\infty)
— возрастает. Следовательно, при
h=3a
объём конуса наименьший. При этом
V(3a)=\frac{1}{6}\pi a^{2}\cdot\frac{(3a)^{3}}{(3a-a)^{2}}=\frac{9}{8}\pi a^{3}.