已知球 O 的半径为 1 ,四棱锥的顶点为 O ,底面的四个顶点均在球 O 的球面上,则当该四棱锥的体积最大时,其高为( )
A . B . C . D .
C
【分析】方法一:先证明当四棱锥的顶点 O 到底面 ABCD 所在小圆距离一定时,底面 ABCD 面积最大值为 ,进而得到四棱锥体积表达式,再利用均值定理去求四棱锥体积的最大值,从而得到当该四棱锥的体积最大时其高的值 .
【详解】 [ 方法一 ] :【最优解】基本不等式
设该四棱锥底面为四边形 ABCD ,四边形 ABCD 所在小圆半径为 r ,
设四边形 ABCD 对角线夹角为 ,
则
(当且仅当四边形 ABCD 为正方形时等号成立)
即当四棱锥的顶点 O 到底面 ABCD 所在小圆距离一定时,底面 ABCD 面积最大值为
又设四棱锥的高为 ,则 ,
当且仅当 即 时等号成立 .
故选: C
[ 方法二 ] :统一变量+基本不等式
由题意可知,当四棱锥为正四棱锥时,其体积最大,设底面边长为 ,底面所在圆的半径为 ,则 ,所以该四棱锥的高 ,
( 当且仅当 ,即 时,等号成立 )
所以该四棱锥的体积最大时,其高 .
故选: C .
[ 方法三 ] :利用导数求最值
由题意可知,当四棱锥为正四棱锥时,其体积最大,设底面边长为 ,底面所在圆的半径为 ,则 ,所以该四棱锥的高 , ,令 , ,设 ,则 ,
, ,单调递增, , ,单调递减,
所以当 时, 最大,此时 .
故选: C.
【点评】方法一:思维严谨,利用基本不等式求最值,模型熟悉,是该题的最优解;
方法二:消元,实现变量统一,再利用基本不等式求最值;
方法三:消元,实现变量统一,利用导数求最值,是最值问题的常用解法,操作简便,是通性通法.
棱柱:
(1)概念:如果一个多面体有两个面互相平行,而其余每相邻两个面的交线互相平行。这样的多面体叫做棱柱。棱柱中两个互相平行的面叫棱柱的底面,其余各个面都叫棱柱的侧面,两个侧棱的公共边叫做棱柱的侧棱,棱柱中两个底面间的距离叫棱柱的高。
(2)分类:①按侧棱是否与底面垂直分类:分为斜棱柱和直棱柱。侧棱不垂直于底面的棱柱叫斜棱柱,侧棱垂直于底面的棱柱叫直棱柱;
②按底面边数的多少分类:底面分别为三角形,四边形,五边形…、分别称为三棱柱,四棱柱,五棱柱,…
棱锥:
(1)概念:如果一个多面体的一个面是多边形,其余各个面是有一个公共顶点的三角形,那么这个多面体叫棱锥。在棱锥中有公共顶点的各三角形叫做棱锥的侧面,棱锥中这个多边形叫做棱锥的底面,棱锥中相邻两个侧面的交线叫做棱锥的侧棱,棱锥中各侧棱的公共顶点叫棱锥的顶点。棱锥顶点到底面的距离叫棱锥的高,过棱锥不相邻的两条侧棱的截面叫棱锥的对角面。
(2)分类:按照棱锥底面多边形的边数可将棱锥分为:三棱锥、四棱锥、五棱锥…
(3)正棱锥的概念:如果一个棱锥的底面是正多边形,且顶点在底面的射影是底面的中心,这样的棱锥叫正棱锥。
棱台:
用一个平行于棱锥底面的平面去截棱锥,底面与截面之间的部分叫做棱台,原棱锥的底面和截面分别叫做棱台的下底面和上底面。
圆柱的概念:
以矩形的一边所在的直线为轴旋转,其余三边旋转所成的曲面所围成的几何体。
旋转轴叫做圆柱的轴,垂直于轴的边旋转而成的圆面叫做圆柱的底面,平行于轴的边旋转而成的曲面叫做圆柱的侧面;无论旋转到什么位置,不垂直于轴的边叫做圆柱侧面的母线。
圆锥的概念:
以直角三角形的一条直角边为旋转轴,旋转一周所成的曲面所围成的几何体;
圆台的概念:
用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥,截面和底面之间的部分;
球的定义:
第一定义:以半圆的直径所在直线为旋转轴,半圆面旋转一周形成的旋转体叫球体,简称球。
半圆的圆心叫做球的球心,半圆的半径叫做球的半径,半圆的直径叫做球的直径。
第二定义:球面是空间中与定点的距离等于定长的所有点的集合。
球的截面与大圆小圆:
截面:用一个平面去截一个球,截面是圆面;
大圆:过球心的截面圆叫大圆,大圆是所有球的截面中半径最大的圆。
球面上任意两点间最短的球面距离:是过这两点大圆的劣弧长;
小圆:不过球心的截面圆叫小圆。
棱柱的性质:
①棱柱的各个侧面都是平行四边形,所有的侧棱都相等,直棱柱的各个侧面都是矩形,正棱柱的各个侧面都是全等的矩形;
②与底面平行的截面是与底面对应边互相平行的全等多边形;
③过棱柱不相邻的两条侧棱的截面都是平行四边形。
棱锥的性质:
如果棱锥被平行于底面的平面所截,那么所得的截面与底面相似,截面面积与底面面积的比等于顶点至截面距离与棱锥高的平方比。
正棱锥性质:
①正棱锥的各侧棱相等,各侧面都是全等的等腰三角形,各等腰三角形底边上的高(叫侧高)也相等;
②正棱锥的高、斜高、斜高在底面的射影、侧棱、底面的外接圆的半径R、底面的半边长可组成四个直角三角形。
圆柱的几何特征:
①底面是全等的圆;②母线与轴平行;③轴与底面圆的半径垂直;④侧面展开图是一个矩形。
圆锥的几何特征:
①底面是一个圆;②母线交于圆锥的顶点;③侧面展开图是一个扇形。
圆台的几何特征:
①上下底面是两个圆;②侧面母线交于原圆锥的顶点;③侧面展开图是一个弓形。
球的截面的性质:
性质1:球心和截面圆心的连线垂直于截面;
性质2:球心到截面的距离d与球的半径R及截面的半径r有如下关系:r2=R2-d2.
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