Оптимізація: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Оптимізація з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: максимальна площа або об’єм, мінімальна вартість або витрата матеріалу, прибуток і виручка.

Безкоштовна задачаЛегка
річкаxxy

Фермер має 240 m огорожі, щоб огородити прямокутне поле вздовж прямої річки. Уздовж річки огорожа не потрібна. Знайдіть найбільшу площу A, яку можна огородити.

240 m2x + y = 240
m²
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкамаксимальна площа або об’єм
  2. Середнямінімальна вартість або витрата матеріалу
  3. Складнаприбуток і виручка

Основні формули

Метод
запишіть Q(x) через одну змінну, розв’яжіть Q′(x) = 0, перевірте Q″ або кінці проміжку
Максимум
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Мінімум
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Закритий циліндр
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Прибуток
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Вивчайте тему «Оптимізація» з нуля

Перед цим: Похідні

1Що таке оптимізація

Оптимізація означає пошук найкращого значення: найбільшої площі для заданої довжини огорожі, найменшої кількості металу для банки або найвищого прибутку.

Величина, яку ви хочете зробити якомога більшою чи меншою, залежить від однієї змінної, наприклад ширини x поля.

Уявіть її графік. На вершині пагорба й на дні долини графік на мить плоский. Тож нахил там нульовий.

Це ключова ідея: у максимумі чи мінімумі похідна дорівнює 0. Найкраще x ви знаходите, розв’язуючи Q′(x) = 0.

Самоперевірка Площа A(x) поля має найбільше значення за x = 12. Чому дорівнює A′(12)?
  1. 0
  2. Від’ємне число
  3. Додатне число
  4. Те саме, що A(12)

Відповідь: 0. На вершині графіка дотична горизонтальна, тож нахил дорівнює 0. Додатний нахил означав би, що площа ще зростає.

2Мета й обмеження

Кожна задача оптимізації має дві частини. Назвіть їх, перш ніж щось обчислювати.

  • Мета: величина, яку треба максимізувати чи мінімізувати, як-от площа A або вартість C.
  • Обмеження: фіксована умова, як-от загальна довжина огорожі або об’єм, який має вміщувати банка.

Мета зазвичай має дві змінні, наприклад A = x · y. Диференціювати це поки що не можна.

Використайте обмеження, щоб виразити y через x. Тоді мета залежить лише від x.

Приклад: прямокутник із периметром 20 m має 2x + 2y = 20, тож y = 10 − x і A(x) = x(10 − x) = 10x − x².

Спершу намалюйте ескіз і підпишіть на ньому кожну довжину. Більшість помилок трапляється в обмеженні.

Самоперевірка Поле вздовж річки огороджують із трьох боків 40 m: дві сторони завдовжки x і одна сторона y, паралельна річці. Яке обмеження?
  1. 2x + 2y = 40
  2. 2x + y = 40
  3. x + y = 40
  4. x · y = 40

Відповідь: 2x + y = 40. Є три огорожі: x, x і y. Бік уздовж річки не потребує огорожі. 2x + 2y було б повним прямокутником із чотирма огородженими боками.

3Задачі про витрати й прибуток

У бізнес-задачах мета — це прибуток: виручка мінус витрати.

P(q) = R(q) − C(q), R = p · q

Тут q — кількість проданих одиниць, а p — ціна за одиницю. Якщо ціна залежить від q, спершу підставте цю формулу в R.

Приклад: ціна p = 60 − q, а витрати C = 100 + 30q.

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

Тоді найкраща ціна p = 60 − 15 = €45. Уважно читайте запитання: воно може питати про q, p або сам прибуток P.

Самоперевірка Продукт продається по €40 за одиницю. Витрати на q одиниць становлять C = 100 + 10q + 0,5q² євро. Який випуск q дає найвищий прибуток?
  1. 15
  2. 30
  3. 40
  4. 60

Відповідь: 30. P = 40q − 100 − 10q − 0,5q², тож P′ = 30 − q = 0 і q = 30. Якщо забути 2 при диференціюванні 0,5q², вийде 60.

4Метод крок за кроком

  1. Намалюйте ескіз і назвіть змінні.
  2. Запишіть мету Q (площа, вартість, прибуток) та обмеження.
  3. Використайте обмеження, щоб записати Q як функцію однієї змінної, Q(x).
  4. Продиференціюйте й розв’яжіть Q′(x) = 0.
  5. Перевірте, що це точка потрібного типу: Q″ < 0 для максимуму, Q″ > 0 для мінімуму.
  6. Дайте відповідь на поставлене запитання: x, інша сторона або найкраще значення самої Q, з одиницями.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Фермер має 60 m огорожі для прямокутного поля вздовж прямої річки. Уздовж річки огорожа не потрібна. Знайдіть сторону y, паралельну річці, і найбільшу площу A.

1

Ескіз і обмеження

xxyA

Річка зверху, тож огорожа потрібна лише з трьох боків: двох сторін x і однієї сторони y.

2x + y = 60 ⇒ y = 60 − 2x
2

Площа через одну змінну

A = x · y = x(60 − 2x) = 60x − 2x²
3

Прирівняйте похідну до нуля

A′(x) = 60 − 4x = 0 ⇒ x = 15 m
4

Чи це максимум?

A″(x) = −4 < 0

Друга похідна від’ємна, тож x = 15 m дає найбільшу площу.

xA(15, 450)1530
5

Інша сторона й площа

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

Перевірте відповідь

Спробуйте значення з кожного боку. x = 14 дає 14 · 32 = 448 m², а x = 16 дає 16 · 28 = 448 m². Обидва менші за 450 m².

Відповідь

y = 30 m, а найбільша площа дорівнює A = 450 m².

6Типові помилки

  • Давати відповідь для неправильної величини: запитання питає про y, а ви даєте x.
  • Диференціювати мету, що ще має дві змінні. Спершу використайте обмеження.
  • Записувати неправильне обмеження, наприклад огороджувати й бік уздовж річки.
  • Не перевіряти, чи точка є максимумом чи мінімумом.
  • Забувати одиниці або давати площу в m замість m².
Самоперевірка З 40 m огорожі вздовж річки (2x + y = 40) найкраща ширина x = 10 m. Запитання просить сторону y, паралельну річці. Що ви відповісте?
  1. 10 m
  2. 20 m
  3. 200 m²
  4. 40 m

Відповідь: 20 m. y = 40 − 2 · 10 = 20 m. Відповідь 10 m дає x замість y, а 200 m² — це площа, а не сторона.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легкий: максимальна площа чи об’єм, як-от поле вздовж річки або загін, розділений додатковою огорожею.
  • Середній: мінімальна вартість чи матеріал, як-от закрита банка (V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh) або огорожа з двома цінами за метр.
  • Складний: прибуток і виручка. Складіть P = R − C, розв’яжіть P′(q) = 0, потім знайдіть ціну або максимальний прибуток.

Швидка перевірка: підставте в Q значення трохи вище й трохи нижче за вашу відповідь. Обидва мають бути гіршими.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
x18 cm18 cmx

Відкриту коробку виготовляють з квадратного аркуша картону 18 cm × 18 cm, вирізаючи з чотирьох кутів однакові квадрати зі стороною x і загинаючи бічні стінки. Знайдіть найбільший можливий об’єм V.

18 cm × 18 cm

Знайти: V (cm³)

Показати підказки
  1. Дно має розміри (18 − 2x) на (18 − 2x), а висота дорівнює x.
  2. V(x) = x·(18 − 2x)·(18 − 2x) = 4x3 − 72x2 + 324x.
  3. V′(x) = 12x2 − 144x + 324 = 0. Сенс має лише корінь з 0 < x < 9.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Оптимізація: запишіть величину, яку треба оптимізувати, як функцію однієї змінної, виключивши іншу за допомогою обмеження. Прирівняйте похідну до нуля й розв’яжіть. Перевірте, що критична точка — максимум або мінімум (друга похідна або зміна знака першої похідної) і що вона лежить у допустимому проміжку; кінцева точка, як-от нульова довжина сторони, не є відповіддю.

Об’єм як функція x

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

Прирівняйте похідну до нуля

Більший корінь дає сторону дна ≤ 0, тож він поза допустимим проміжком.

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

Об’єм

V = 3·12·12 = 432 cm³

Відповідь

V = 432 cm³
Приклад 2Середня
rh

Закрита циліндрична банка (з верхом і дном) має вміщувати 400 cm³. Витрата металу пропорційна повній площі поверхні. Знайдіть найменшу можливу площу поверхні A.

V = 400 cm³

Знайти: A (cm²)

Показати підказки
  1. Виключіть h за допомогою об’єму: πr²h = 400, тож h = 400/(πr²).
  2. A(r) = 2πr² + 2·400/r.
  3. A′(r) = 4πr − 2·400/r² = 0 → r³ = 400/(2π).
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Оптимізація: запишіть величину, яку треба оптимізувати, як функцію однієї змінної, виключивши іншу за допомогою обмеження. Прирівняйте похідну до нуля й розв’яжіть. Перевірте, що критична точка — максимум або мінімум (друга похідна або зміна знака першої похідної) і що вона лежить у допустимому проміжку; кінцева точка, як-от нульова довжина сторони, не є відповіддю.

Площа як функція r

h = 400/(πr²)
A(r) = 2πr² + 800/r

Прирівняйте похідну до нуля

A″(r) = 4π + 1600/r³ > 0, тож це мінімум.

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

Висота й площа

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

Відповідь

A = 300,5 cm²

Найдешевша закрита банка має висоту, що дорівнює діаметру: h = 2r.

Приклад 3Складна
p (€)R(p)10зараз

Театр продає 580 квитків на виставу по €10. Маркетингове дослідження показує, що кожне підвищення ціни квитка на €1 означає на 20 проданих квитків менше (а кожне зниження на €1 — на 20 більше). Знайдіть максимальну виручку R за виставу.

580 × €1020 / €1

Знайти: R (€)

Показати підказки
  1. Продані квитки за ціни p: n(p) = 580 − 20·(p − 10) = 780 − 20p.
  2. R(p) = p·(780 − 20p) = 780p − 20p².
  3. R′(p) = 780 − 40p = 0.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Оптимізація: запишіть величину, яку треба оптимізувати, як функцію однієї змінної, виключивши іншу за допомогою обмеження. Прирівняйте похідну до нуля й розв’яжіть. Перевірте, що критична точка — максимум або мінімум (друга похідна або зміна знака першої похідної) і що вона лежить у допустимому проміжку; кінцева точка, як-от нульова довжина сторони, не є відповіддю.

Виручка як функція ціни

n(p) = 780 − 20p
R(p) = 780p − 20p²

Прирівняйте похідну до нуля

R″(p) = −40 < 0, тож це максимум.

p = 780/40 = €19,5

Максимальна виручка

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

Відповідь

R = €7605

Запитання й відповіді

Оптимізація: що це?

Оптимізація означає пошук найкращого значення: найбільшої площі для заданої довжини огорожі, найменшої кількості металу для банки або найвищого прибутку.

Величина, яку ви хочете зробити якомога більшою чи меншою, залежить від однієї змінної, наприклад ширини x поля.

Оптимізація: як розв’язувати задачі крок за кроком?

Оптимізація: запишіть величину, яку треба оптимізувати, як функцію однієї змінної, виключивши іншу за допомогою обмеження. Прирівняйте похідну до нуля й розв’яжіть. Перевірте, що критична точка — максимум або мінімум (друга похідна або зміна знака першої похідної) і що вона лежить у допустимому проміжку; кінцева точка, як-от нульова довжина сторони, не є відповіддю.

Оптимізація: які помилки найпоширеніші?
  • Кожна сторона дна втрачає квадрат з обох кінців, тож сторони дна a − 2x і b − 2x, а не a − x і b − x.
  • Банка закрита: враховуйте і верх, і дно, A = 2πr² + 2πrh.
  • Це виручка за поточної ціни. Спершу знайдіть ціну, за якої R′(p) = 0.
Оптимізація: що ви тренуєте?
  • Легка: максимальна площа або об’єм
  • Середня: мінімальна вартість або витрата матеріалу
  • Складна: прибуток і виручка

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Курси з цією темою

Інші теми: Математика і статистика

Робочий аркуш для друку