Optymalizacja: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Darmowe zadania z tematu Optymalizacja z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: maksymalne pole lub objętość, minimalny koszt lub zużycie materiału, zysk i przychód.

Darmowe zadanieŁatwy
rzekaxxy

Rolnik ma 240 m ogrodzenia, aby ogrodzić prostokątne pole wzdłuż prostej rzeki. Wzdłuż rzeki ogrodzenie nie jest potrzebne. Wyznacz największe pole A, jakie można ogrodzić.

240 m2x + y = 240
m²
Następne zadanie →
Ćwicz za darmo: OptymalizacjaĆwicz teraz: Optymalizacja5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.

Co ćwiczysz

  1. Łatwymaksymalne pole lub objętość
  2. Średniminimalny koszt lub zużycie materiału
  3. Trudnyzysk i przychód

Najważniejsze wzory

Metoda
zapisz Q(x) jako funkcję jednej zmiennej, rozwiąż Q′(x) = 0, sprawdź Q″ lub krańce przedziału
Maksimum
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Minimum
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Zamknięty walec
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Zysk
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Naucz się tematu Optymalizacja od zera

Wcześniej: Pochodne

1Czym jest optymalizacja

Optymalizacja oznacza znalezienie najlepszej wartości: największego pola przy danej długości ogrodzenia, najmniej blachy na puszkę albo największego zysku.

Wielkość, którą chcesz uczynić jak największą lub jak najmniejszą, zależy od jednej zmiennej, na przykład szerokości x pola.

Wyobraź sobie jej wykres. Na szczycie wzgórza i na dnie doliny wykres jest przez chwilę płaski. Nachylenie jest tam więc zerowe.

To kluczowa idea: w maksimum lub minimum pochodna wynosi 0. Najlepsze x znajdujesz, rozwiązując Q′(x) = 0.

Samosprawdzenie Pole A(x) pola uprawnego ma największą wartość przy x = 12. Ile wynosi A′(12)?
  1. 0
  2. Liczba dodatnia
  3. Liczba ujemna
  4. Tyle samo co A(12)

Odpowiedź: 0. Na szczycie wykresu styczna jest pozioma, więc nachylenie wynosi 0. Dodatnie nachylenie oznaczałoby, że pole nadal rośnie.

2Cel i warunek ograniczający

Każde zadanie optymalizacyjne ma dwie części. Nazwij je, zanim cokolwiek obliczysz.

  • Cel: wielkość do zmaksymalizowania lub zminimalizowania, taka jak pole A albo koszt C.
  • Warunek ograniczający: stały warunek, taki jak łączna długość ogrodzenia albo objętość, jaką ma pomieścić puszka.

Cel ma zwykle dwie zmienne, na przykład A = x · y. Tego jeszcze nie możesz zróżniczkować.

Użyj warunku ograniczającego, aby zapisać y przez x. Wtedy cel zależy tylko od x.

Przykład: prostokąt o obwodzie 20 m ma 2x + 2y = 20, więc y = 10 − x i A(x) = x(10 − x) = 10x − x².

Najpierw narysuj szkic i zapisz na nim każdą długość. Większość błędów powstaje w warunku ograniczającym.

Samosprawdzenie Pole nad rzeką jest ogrodzone z trzech stron 40 m ogrodzenia: dwa boki o długości x i jeden bok y równoległy do rzeki. Jaki jest warunek ograniczający?
  1. 2x + 2y = 40
  2. 2x + y = 40
  3. x + y = 40
  4. x · y = 40

Odpowiedź: 2x + y = 40. Są trzy ogrodzenia: x, x i y. Strona przy rzece nie potrzebuje ogrodzenia. 2x + 2y byłoby pełnym prostokątem z czterema ogrodzonymi bokami.

3Zadania o kosztach i zysku

W zadaniach biznesowych celem jest zysk: przychód minus koszt.

P(q) = R(q) − C(q), R = p · q

Tu q to liczba sprzedanych sztuk, a p cena za sztukę. Jeśli cena zależy od q, najpierw wstaw ten wzór do R.

Przykład: cena to p = 60 − q, a koszt to C = 100 + 30q.

R = (60 − q)·q = 60q − q²
P = 60q − q² − 100 − 30q = −q² + 30q − 100
P′(q) = −2q + 30 = 0 ⇒ q = 15

Najlepsza cena to wtedy p = 60 − 15 = 45 €. Przeczytaj uważnie pytanie: może pytać o q, p albo o sam zysk P.

Samosprawdzenie Produkt sprzedaje się po 40 € za sztukę. Koszt q sztuk to C = 100 + 10q + 0,5q² euro. Jaka wielkość produkcji q daje największy zysk?
  1. 15
  2. 30
  3. 40
  4. 60

Odpowiedź: 30. P = 40q − 100 − 10q − 0,5q², więc P′ = 30 − q = 0 i q = 30. Zapomnienie o 2 przy różniczkowaniu 0,5q² daje 60.

4Metoda krok po kroku

  1. Narysuj szkic i nazwij zmienne.
  2. Zapisz cel Q (pole, koszt, zysk) i warunek ograniczający.
  3. Użyj warunku ograniczającego, aby zapisać Q jako funkcję jednej zmiennej, Q(x).
  4. Zróżniczkuj i rozwiąż Q′(x) = 0.
  5. Sprawdź, czy to punkt właściwego rodzaju: Q″ < 0 dla maksimum, Q″ > 0 dla minimum.
  6. Odpowiedz na zadane pytanie: x, drugi bok albo najlepszą wartość samego Q, z jednostkami.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Rolnik ma 60 m ogrodzenia na prostokątne pole nad prostą rzeką. Przy rzece ogrodzenie nie jest potrzebne. Znajdź bok y równoległy do rzeki i największe pole A.

1

Szkic i warunek ograniczający

xxyA

Rzeka jest u góry, więc ogrodzenia potrzebują tylko trzy boki: dwa boki x i jeden bok y.

2x + y = 60 ⇒ y = 60 − 2x
2

Pole jako funkcja jednej zmiennej

A = x · y = x(60 − 2x) = 60x − 2x²
3

Przyrównaj pochodną do zera

A′(x) = 60 − 4x = 0 ⇒ x = 15 m
4

Czy to maksimum?

A″(x) = −4 < 0

Druga pochodna jest ujemna, więc x = 15 m daje największe pole.

xA(15, 450)1530
5

Drugi bok i pole

y = 60 − 2 · 15 = 30 m
A = 15 · 30 = 450 m²
6

Sprawdź wynik

Spróbuj wartości po obu stronach. x = 14 daje 14 · 32 = 448 m², a x = 16 daje 16 · 28 = 448 m². Obie są mniejsze niż 450 m².

Odpowiedź

y = 30 m, a największe pole to A = 450 m².

6Typowe błędy

  • Podanie odpowiedzi dla niewłaściwej wielkości: pytanie dotyczy y, a ty podajesz x.
  • Różniczkowanie celu, który nadal ma dwie zmienne. Najpierw użyj warunku ograniczającego.
  • Zapisanie złego warunku ograniczającego, na przykład ogrodzenie także strony przy rzece.
  • Niesprawdzenie, czy punkt jest maksimum, czy minimum.
  • Zapomnienie o jednostkach albo podanie pola w m zamiast w m².
Samosprawdzenie Przy 40 m ogrodzenia nad rzeką (2x + y = 40) najlepsza szerokość to x = 10 m. Pytanie dotyczy boku y równoległego do rzeki. Co odpowiadasz?
  1. 10 m
  2. 20 m
  3. 200 m²
  4. 40 m

Odpowiedź: 20 m. y = 40 − 2 · 10 = 20 m. Odpowiedź 10 m podaje x zamiast y, a 200 m² to pole, a nie bok.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: maksymalne pole lub objętość, takie jak pole nad rzeką albo zagroda podzielona dodatkowym płotem.
  • Średnie: minimalny koszt lub materiał, taki jak zamknięta puszka (V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh) albo ogrodzenie z dwiema cenami za metr.
  • Trudne: zysk i przychód. Zbuduj P = R − C, rozwiąż P′(q) = 0, potem znajdź cenę lub maksymalny zysk.

Szybka kontrola: wstaw do Q wartość nieco większą i nieco mniejszą od twojej odpowiedzi. Obie powinny być gorsze.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
x18 cm18 cmx

Otwarte pudełko powstaje z kwadratowego arkusza tektury 18 cm × 18 cm przez wycięcie w czterech rogach jednakowych kwadratów o boku x i zagięcie boków do góry. Wyznacz największą możliwą objętość V.

18 cm × 18 cm

Oblicz V (cm³)

Pokaż podpowiedzi
  1. Podstawa ma wymiary (18 − 2x) na (18 − 2x), a wysokość wynosi x.
  2. V(x) = x·(18 − 2x)·(18 − 2x) = 4x3 − 72x2 + 324x.
  3. V′(x) = 12x2 − 144x + 324 = 0. Sens ma tylko pierwiastek z 0 < x < 9.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Optymalizacja: zapisz optymalizowaną wielkość jako funkcję jednej zmiennej, używając warunku ograniczającego do wyeliminowania drugiej. Przyrównaj pochodną do zera i rozwiąż. Sprawdź, czy punkt krytyczny jest maksimum lub minimum (druga pochodna lub zmiana znaku pierwszej pochodnej) i czy leży w dopuszczalnym przedziale; kraniec przedziału, taki jak zerowa długość boku, nie jest odpowiedzią.

Objętość jako funkcja x

V(x) = x·(18 − 2x)·(18 − 2x) = 4x3 − 72x2 + 324x

Przyrównaj pochodną do zera

Większy pierwiastek daje bok podstawy ≤ 0, więc leży poza dopuszczalnym przedziałem.

V′(x) = 12x2 − 144x + 324 = 0
x = 3 lub x = 9
x = 3 cm

Objętość

V = 3·12·12 = 432 cm³

Odpowiedź

V = 432 cm³
Przykład 2Średni
rh

Zamknięta puszka walcowa (z wieczkiem i dnem) ma mieścić 400 cm³. Zużyty metal jest proporcjonalny do całkowitego pola powierzchni. Wyznacz najmniejsze możliwe pole powierzchni A.

V = 400 cm³

Oblicz A (cm²)

Pokaż podpowiedzi
  1. Użyj objętości, aby wyeliminować h: πr²h = 400, więc h = 400/(πr²).
  2. A(r) = 2πr² + 2·400/r.
  3. A′(r) = 4πr − 2·400/r² = 0 → r³ = 400/(2π).
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Optymalizacja: zapisz optymalizowaną wielkość jako funkcję jednej zmiennej, używając warunku ograniczającego do wyeliminowania drugiej. Przyrównaj pochodną do zera i rozwiąż. Sprawdź, czy punkt krytyczny jest maksimum lub minimum (druga pochodna lub zmiana znaku pierwszej pochodnej) i czy leży w dopuszczalnym przedziale; kraniec przedziału, taki jak zerowa długość boku, nie jest odpowiedzią.

Pole jako funkcja r

h = 400/(πr²)
A(r) = 2πr² + 800/r

Przyrównaj pochodną do zera

A″(r) = 4π + 1600/r³ > 0, więc jest to minimum.

4πr − 800/r² = 0 → r = ∛(400/(2π)) = 3,993 cm

Wysokość i pole

h = 400/(π·3,993²) = 2r = 7,986 cm
A = 2π·3,993² + 800/3,993 = 300,5 cm²

Odpowiedź

A = 300,5 cm²

Najtańsza zamknięta puszka jest tak wysoka, jak szeroka: h = 2r.

Przykład 3Trudny
p (€)R(p)10teraz

Teatr sprzedaje 580 biletów na przedstawienie po €10 za sztukę. Badanie rynku pokazuje, że każdy wzrost ceny biletu o €1 oznacza 20 sprzedanych biletów mniej (a każda obniżka o €1 – 20 więcej). Wyznacz maksymalny przychód R z jednego przedstawienia.

580 × €1020 / €1

Oblicz R (€)

Pokaż podpowiedzi
  1. Bilety sprzedane po cenie p: n(p) = 580 − 20·(p − 10) = 780 − 20p.
  2. R(p) = p·(780 − 20p) = 780p − 20p².
  3. R′(p) = 780 − 40p = 0.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Optymalizacja: zapisz optymalizowaną wielkość jako funkcję jednej zmiennej, używając warunku ograniczającego do wyeliminowania drugiej. Przyrównaj pochodną do zera i rozwiąż. Sprawdź, czy punkt krytyczny jest maksimum lub minimum (druga pochodna lub zmiana znaku pierwszej pochodnej) i czy leży w dopuszczalnym przedziale; kraniec przedziału, taki jak zerowa długość boku, nie jest odpowiedzią.

Przychód jako funkcja ceny

n(p) = 780 − 20p
R(p) = 780p − 20p²

Przyrównaj pochodną do zera

R″(p) = −40 < 0, więc jest to maksimum.

p = 780/40 = €19,5

Maksymalny przychód

n = 780 − 20·19,5 = 390
R = 19,5·390 = €7605

Odpowiedź

R = €7605

Pytania i odpowiedzi

Optymalizacja: co to jest?

Optymalizacja oznacza znalezienie najlepszej wartości: największego pola przy danej długości ogrodzenia, najmniej blachy na puszkę albo największego zysku.

Wielkość, którą chcesz uczynić jak największą lub jak najmniejszą, zależy od jednej zmiennej, na przykład szerokości x pola.

Optymalizacja: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?

Optymalizacja: zapisz optymalizowaną wielkość jako funkcję jednej zmiennej, używając warunku ograniczającego do wyeliminowania drugiej. Przyrównaj pochodną do zera i rozwiąż. Sprawdź, czy punkt krytyczny jest maksimum lub minimum (druga pochodna lub zmiana znaku pierwszej pochodnej) i czy leży w dopuszczalnym przedziale; kraniec przedziału, taki jak zerowa długość boku, nie jest odpowiedzią.

Optymalizacja: jakie błędy są najczęstsze?
  • Każdy bok podstawy traci kwadrat na obu końcach, więc boki podstawy to a − 2x i b − 2x, a nie a − x i b − x.
  • Puszka jest zamknięta: licz zarówno wieczko, jak i dno, A = 2πr² + 2πrh.
  • To przychód przy obecnej cenie. Najpierw wyznacz cenę, przy której R′(p) = 0.
Optymalizacja: co ćwiczysz?
  • Łatwy: maksymalne pole lub objętość
  • Średni: minimalny koszt lub zużycie materiału
  • Trudny: zysk i przychód

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Matematyka i statystyka

Karta pracy do druku

Ćwicz za darmo: OptymalizacjaĆwicz teraz: Optymalizacja5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.