📌 Đề bài (Trả lời ngắn):
Một chiếc hộp không nắp được làm từ một tấm bìa các-tông, có dạng hình hộp chữ nhật với đáy là hình vuông và có thể tích bằng $500\text{ cm}^3$. Tìm diện tích toàn phần nhỏ nhất của chiếc hộp đó để lượng vật liệu làm hộp là ít nhất (tính theo đơn vị $\text{cm}^2$).
📚 Phương pháp giải & Lý thuyết trọng tâm
Phương pháp khảo sát và tìm giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của hàm số là công cụ đắc lực khi giải các bài toán tối ưu hóa hình học trong thực tế:
- Bước 1: Gọi biến thích hợp (thường là kích thước cạnh đáy $x > 0$) và xác định miền giá trị khả dĩ của biến.
- Bước 2: Thiết lập mối liên hệ giữa các đại lượng hình học: $$V = x^2 \cdot h \implies h = \frac{V}{x^2}$$
- Bước 3: Lập hàm mục tiêu diện tích toàn phần của hộp không nắp (gồm $1$ đáy và $4$ mặt bên xung quanh): $$S(x) = S_{\text{đáy}} + S_{xq} = x^2 + 4xh = x^2 + \frac{4V}{x}$$
- Bước 4: Tìm giá trị nhỏ nhất của $S(x)$ bằng đạo hàm hoặc áp dụng bất đẳng thức Cauchy (AM-GM) cho ba số dương: $$x^2 + \frac{2V}{x} + \frac{2V}{x} \ge 3\sqrt[3]{x^2 \cdot \frac{2V}{x} \cdot \frac{2V}{x}} = 3\sqrt[3]{4V^2}$$
💡 LỜI GIẢI CHI TIẾT & CÁCH GIẢI TỪNG BƯỚC (Nhấn để mở)
Bước 1: Đặt biến và thiết lập biểu thức hình học
Gọi cạnh của đáy hình vuông là $x$ $(\text{cm})$ và chiều cao của chiếc hộp là $h$ $(\text{cm})$ với điều kiện $x > 0, h > 0$.
Thể tích của khối hộp chữ nhật là: $$V = x^2 \cdot h = 500 \implies h = \frac{500}{x^2}$$
Bước 2: Lập hàm số biểu thị diện tích toàn phần
Do chiếc hộp không có nắp nên diện tích toàn phần bằng tổng diện tích của đáy và $4$ mặt bên xung quanh: $$S(x) = S_{\text{đáy}} + 4 \cdot S_{\text{bên}} = x^2 + 4xh = x^2 + 4x \cdot \frac{500}{x^2} = x^2 + \frac{2000}{x}\quad (x > 0)$$
Bước 3: Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số $S(x)$
Cách 1: Sử dụng đạo hàm
Xét hàm số $S(x) = x^2 + \frac{2000}{x}$ trên khoảng $(0; +\infty)$: $$S'(x) = 2x – \frac{2000}{x^2} = \frac{2x^3 – 2000}{x^2}$$ Cho $S'(x) = 0 \iff 2x^3 – 2000 = 0 \iff x^3 = 1000 \iff x = 10$.
Ta có bảng biến thiên: – Khi $0 < x < 10$ thì $S'(x) < 0$, hàm số nghịch biến. - Khi $x > 10$ thì $S'(x) > 0$, hàm số đồng biến.
Do đó hàm số đạt cực tiểu (và là giá trị nhỏ nhất trên $(0; +\infty)$) tại $x = 10\text{ cm}$.
Giá trị nhỏ nhất của diện tích là: $$S_{\min} = S(10) = 10^2 + \frac{2000}{10} = 100 + 200 = 300\text{ cm}^2$$
Cách 2: Áp dụng bất đẳng thức Cauchy (AM-GM)
Với mọi $x > 0$, ta tách đại lượng nghịch đảo để triệt tiêu biến $x$: $$S(x) = x^2 + \frac{1000}{x} + \frac{1000}{x} \ge 3\sqrt[3]{x^2 \cdot \frac{1000}{x} \cdot \frac{1000}{x}} = 3\sqrt[3]{10^6} = 3 \cdot 100 = 300$$ Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi: $$x^2 = \frac{1000}{x} \iff x^3 = 1000 \iff x = 10\text{ (thỏa mãn)}$$
Tương tự như bài toán tối ưu thùng chứa hình trụ, việc lựa chọn kích thước hợp lý giúp tiết kiệm tối đa chi phí nguyên vật liệu sản xuất.
👉 Đáp số (kết quả điền số): 300
✍️ 5 Bài tập tương tự tự luyện (Trả lời ngắn – Điền kết quả số)
Bài tập 1: Một người muốn làm một bể chứa nước hình hộp chữ nhật không nắp có thể tích bằng $4\text{ m}^3$. Đáy bể là hình chữ nhật có chiều dài gấp đôi chiều rộng. Chiều rộng của đáy bể bằng bao nhiêu mét để diện tích toàn phần của bể là nhỏ nhất (làm tròn kết quả đến hàng phần mười)?
(Dạng câu hỏi trả lời ngắn: Điền kết quả vào ô số)
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 1
Gọi chiều rộng đáy là $x$ ($x > 0$), chiều dài là $2x$. Thể tích: $V = 2x^2 \cdot h = 4 \implies h = \frac{2}{x^2}$.
Diện tích toàn phần (không nắp): $S(x) = 2x^2 + 2(x + 2x)h = 2x^2 + 6xh = 2x^2 + \frac{12}{x}$.
Đạo hàm: $S'(x) = 4x – \frac{12}{x^2} = 0 \iff 4x^3 = 12 \iff x = \sqrt[3]{3} \approx 1{,}442 \approx 1{,}4$.
👉 Đáp số: 1.4

Để lại phản hồi