每日一题[3108]球中截台

已知圆台的上下底面的圆周都在半径为 $ 2$ 的球面上,圆台的下底面过球心,上底面半径为 $r$($0<r<2$),设圆台的体积为 $V$,则下列选项中说法正确的是(       )

A.当 $r=1$ 时,$V=7 \sqrt{3} \pi$

B.$V$ 存在最大值

C.当 $r$ 在区间 $(0,2)$ 内变化时,$V$ 逐渐减小

D.当 $r$ 在区间 $(0,2)$ 内变化时,$V$ 先增大后减小

答案    BD.

解析    圆台的高为 $\sqrt{4-r^2}$($0<r<2$),因此圆台的体积\[V(r)=\dfrac13\pi\left(r^2+2r+4\right)\cdot \sqrt{4-r^2},\]从而 $V(1)=\dfrac{7\sqrt 3\pi}3$.函数 $V(r)$ 的导函数\[V'(r)=\dfrac{8-r(r+2)(3r-2)}{\sqrt{4-r^2}},\]设 $g(r)=8-r(r+2)(3r-2)$,当 $0<r\leqslant \dfrac 23$ 时,$V'(r)>0$,此时 $V(r)$ 单调递增;当 $\dfrac 23<r<2$ 时,$g(r)$ 单调递减,且\[g\left(\dfrac 23\right)=8,\quad g(2)=-24,\]因此 $g(r)$ 存在唯一零点 $r_0$,进而 $V(r)$ 在 $(0,r_0)$ 上单调递增,在 $(r_0,2)$ 上单调递减,在 $r=r_0$ 时取得最大值 $V(r_0)$.

综上所述,正确的选项为 $\boxed{B}$ $\boxed{D}$.

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