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  • 一、问题溯源

    有一个底面半径为 rr,高为 hh 的圆柱,AA 是底面圆周上的一点,在主视图最左下角;BB 为顶面圆周上一点,在主视图最右上角。一只蚂蚁从 AA 出发,可在圆柱表面自由爬行,求其爬至 BB 点的最短路径。

    二、表示总长度
    设蚂蚁从 AA 沿底面某一条弦走到底面圆周上一点 PP,再由 PP 沿侧面最短路径至 BB。设底面圆心为 OO,弧 APAP 的圆心角为 θ\theta,即 AOP=θ\angle AOP=\theta0θπ0\leq \theta \leq \pi)。
    示例图片
    如图为蚂蚁路线及圆柱体沿高 PPPP' 切割的侧面展开图。图中 PB=PB^P'B'=\widehat{P'B},则总长度 L(θ)=AP+PBL(\theta)=AP+PB'.
    计算底面弦长 APAP
    OA=OP=rOA=OP=r,在等腰 AOP\triangle AOP 中,顶角为 θ\theta。取 APAP 的中点 MM,连结 OMOM
    因为等腰三角形三线合一,则 AOM=θ/2\angle AOM=\theta/2

    由正弦定义,sinθ2=AMr\sin \frac{\theta}{2}=\frac{AM}{r}
    AM=rsinθ2\therefore AM=r\sin \frac{\theta}{2}
    AP=2AM=2rsinθ2\therefore AP=2AM=2r\sin \frac{\theta}{2}
    计算侧面长 BPB'P'
    AC\because AC 为直径,PPPP' 是圆柱的一条高
    \therefore 显然弧 PBP'B 与弧 PCPC 长度相等。
    AC\because AC 是直径
    \thereforeAPAP 与弧 PBP'B 的度数之和为 180180^\circ
    AOP=θ\because \angle AOP=\theta
    AP^=rθ\therefore \widehat{AP}=r\thetaPB^=r(πθ)\widehat{P'B}=r(\pi-\theta)
    PB=r(πθ)\therefore P'B'=r(\pi-\theta)
    PB=[r(πθ)]2+h2\therefore PB'=\sqrt{[r(\pi-\theta)]^2+h^2}
    \therefore 总长度 L(θ)=2rsinθ2+[r(πθ)]2+h2L(\theta)=2r\sin \frac{\theta}{2}+\sqrt{[r(\pi-\theta)]^2+h^2}θ[0,π]\theta\in[0,\pi] (1)

    三、求驻点
    θ\theta 求导(链式求导):
    L(θ)=rcosθ212[r2(πθ)2]1/2ddθ[r2(πθ)2+h2]L'(\theta)=r\cos \frac{\theta}{2}-\frac{1}{2}[r^2(\pi-\theta)^2]^{-1/2}\cdot \frac{d}{d\theta}[r^2(\pi-\theta)^2+h^2]
    =rcosθ212r2(πθ)2+h2[r22(πθ)]=r\cos \frac{\theta}{2}-\frac{1}{2\sqrt{r^2(\pi-\theta)^2+h^2}}\cdot[-r^2\cdot 2(\pi-\theta)]
    =rcosθ2r2(πθ)r2(πθ)2+h2=r\cos \frac{\theta}{2}-\frac{-r^2(\pi-\theta)}{\sqrt{r^2(\pi-\theta)^2+h^2}} (2)
    L(θ)=0L'(\theta)=0,得方程:
    rcosθ2r2(πθ)r2(πθ)2+h2=0r\cos \frac{\theta}{2}-\frac{-r^2(\pi-\theta)}{\sqrt{r^2(\pi-\theta)^2+h^2}}=0
    rcosθ2=r2(πθ)r2(πθ)2+h2r\cos \frac{\theta}{2}=\frac{-r^2(\pi-\theta)}{\sqrt{r^2(\pi-\theta)^2+h^2}}
    r(πθ)r2(πθ)2+h2=cosθ2\frac{-r(\pi-\theta)}{\sqrt{r^2(\pi-\theta)^2+h^2}}=\cos \frac{\theta}{2} (3)
    四、判定驻点非全局最小值
    1.求二阶导数
    第一项:原式 =r2sinθ2=-\frac{r}{2}\sin \frac{\theta}{2}
    第二项:原式 =r2h2[r2(πθ)2+h2]3/2=\frac{r^2 h^2}{[r^2(\pi-\theta)^2+h^2]^{3/2}}
    $\therefore L''(\theta)=-\frac{r}{2}\sin \frac{\theta}{2}+\frac{r^2 h2}{[r2(\pi-\theta)2+h2]^{3/2}}

    2026-07-29 来自 浙江

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  • 2026-07-14 来自 广东

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  • 应该是小学初二

    2026-07-14 来自 江西

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  • 你是看毕导吗,小学二年级

    2026-07-12 来自 北京

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  • ?2年级也有物理 化学了??

    2026-06-26 来自 浙江

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  • 2026-07-29 来自 浙江

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  • d

    2026-07-12 来自 浙江

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  • d

    2026-06-26 来自 浙江

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  • d

    2026-06-23 来自 浙江

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  • d

    2026-06-22 来自 浙江

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  • d

    2026-06-22 来自 浙江

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  • 2026-06-22 来自 浙江

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  • 2026-06-22 来自 浙江

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