Première STI2D Approfondissement gratuit
Le réservoir cylindrique avec le moins de tôle
Énoncé
Un bureau d'études doit dimensionner un réservoir cylindrique fermé (avec un couvercle et un fond) de volume cm, soit litre. On veut utiliser le moins de tôle possible, c'est-à-dire minimiser la surface totale du cylindre. On note le rayon de la base (en cm) et la hauteur (en cm). On rappelle que le volume est et que la surface totale (deux disques plus la surface latérale) est . Déterminer le rayon qui minimise la surface de tôle, la hauteur correspondante, puis la surface minimale. On arrondira les résultats au dixième.
Besoin d'un coup de pouce ?
- La surface dépend de deux variables et , mais le volume est imposé : utilise la relation pour exprimer en fonction de , puis remplace dans .
- Après substitution, tu obtiens , une fonction d'une seule variable . Dérive-la : rappelle-toi que la dérivée de est .
- Résous . Tu arrives à , donc . Isole en prenant la racine cubique, puis reviens à avec .
Mode élève : cherche d'abord par toi-même (les coups de pouce sont là pour t'aider), puis passe en vue « Corrigé » pour vérifier.
Voir le corrigé détaillé
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1. Exprimer la hauteur en fonction du rayon
Le volume est imposé : . On en déduit la hauteur en fonction du rayon : . Ainsi, le réservoir ne dépend plus que de . -
2. Exprimer la surface en fonction du seul rayon
On remplace dans la surface : . En simplifiant le second terme, . Donc , soit ici pour . -
3. Calculer la dérivée
On dérive : la dérivée de est , et la dérivée de est . Donc . -
4. Résoudre l'équation de la dérivée nulle
On résout : , donc . En multipliant les deux membres par : , d'où . En prenant la racine cubique : cm. -
5. Vérifier qu'il s'agit d'un minimum
On écrit . Comme , le signe de est celui de . Pour , ce numérateur est négatif donc (surface décroissante) ; pour , il est positif donc (surface croissante). La dérivée passe de à : la surface admet bien un minimum en cm. -
6. Calculer la hauteur correspondante
On reporte cm dans : cm. On remarque que : pour un cylindre fermé de volume donné, la tôle est minimale quand la hauteur égale le diamètre. -
7. Calculer la surface minimale
On calcule cm. La surface de tôle minimale est donc d'environ cm, pour un rayon de cm et une hauteur de cm.
Réponse finale
Ta progression