探索作正方体节约材料的一个问题

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  摘要:本文讨论了如何从圆形材料中剪出6个小正方形拼接成体积最大的正方体. 本文采用的是列举法,给出了8中可能的裁剪方法并进行比较,得到一种具有实际意义的裁剪法.
  关键词:圆;正方形;最大
  
  正方体是生活中常见的物体. 假设现在有圆形材料,其半径为R,圆心为O,如果不计接口的材料费用,需要剪出6个小正方形来作正方体的侧面,应该怎样剪才可以使作出的正方体体积最大?下面对可能的几种情况分步讨论. 小正方形的边长就是正方体的棱长,设为x.
  情况一:
  AB是圆的直径,长度为2R. 所以有(2x)2+(3x)2=(2R)2,得到x=R≈0.555R.
  
  情况二:
  AO是半径,长度为R,AB,BO长度分别为x,2x,所以有x2+(2x)2=R2,得到x=R≈0.485R.
  情况三:
  AB是圆的直径,长度为2R. 所以有(3x)2+(3x)2=(2R)2,得到x=R≈0.471R.
  情况四:
  AC=x,BD=x,AO=BO=R,
  于是CO=,DO=.
  又CO+DO=+=3x,解得x=R≈0.526R.
  情况五:
  AO=BO=R,AB=x,CD=R,易得BO=3x-R.又x2+3x-R2=R2,解得x≈0.556R.
  
  情况六:
  AO=CO=R,AB=x,CD=x,于是BO=,DO=.
  又BO+DO=+=3x,解得x≈0.588R.
  情况七:
  AB=x,易得AO=2x+x.
  又2x+x2+x2=R2,解得x≈0.401R.
  
  情況八:
  AB=2R,AC=x,BC=4x,
  又x2+(4x)2=(2R)2,解得x=R≈0.485R.
  可能的情况列举了这么多,综合上面的论证,可看出情况六得到的小正方形边长约为0.588R,是所有情况中最大的,用这种方法作的小正方体体积也最大,充分利用了材料,有重要的实际意义.
  上面的讨论过程,每种情况蕴涵着重要的数学方法,在命题、教学与提高学生实践能力上面都有重要的意义.本文是通过列举的方式讨论的,重点在于给出一些可能的情况,其得到的结论“正方体的最大边长约为0.588R”是否为理论上的最大值是没有严格证明的.
  
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