2016-2017学年高中数学人教A版选修2-2课件:1.4 生活中的优化问题举例

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第四页,编辑于星期五:十六点 四十分。
利用导数解决面积、体积最大问题
[例 1] 如图①,∠ACB=45°,|BC|=3,过动点 A 作 AD⊥BC,垂足 D 在线段 BC 上且异于点 B,连接 AB,沿 AD 将△ABD 折叠,使∠BDC=90°(如图②所示).当 BD 的 长为多少时,三棱锥 A-BCD 的体积最大?
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利用导数解决费用最省问题
[例 2] 为了在夏季降温和冬季供暖时减少能源损耗,房屋 的屋顶和外墙需要建造隔热层.某幢建筑物要建造可使用 20 年的隔热层,每厘米厚的隔热层建造成本为 6 万元.该建筑物 每年的能源消耗费用 C(单位:万元)与隔热层厚度 x(单位:cm) 满足关系:C(x)=3xk+5(0≤x≤10),若不建隔热层,每年能源 消耗费用为 8 万元.设 f(x)为隔热层建造费用与 20 年的能源消 耗费用之和.
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[活学活用] 甲、乙两地相距 400 千米,汽车从甲地匀速行驶到乙地,速度 不得超过 100 千米/时,已知该汽车每小时的运输成本 P (元) 关于速度 v (千米/时)的函数关系是 P=19 1200v4-1160v3+15v. (1)求全程运输成本 Q(元)关于速度 v 的函数关系式. (2)为使全程运输成本最少,汽车应以多大速度行驶?并求此 时运输成本的最小值.
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f′(x)=-35x2+24 000, 令 f′(x)=0,解得 x1=200,x2=-200(舍去). 当 0<x<200 时 f′(x)>0,当 x>200 时 f′(x)<0, ∴x=200 时,f(x)取最大值, 最大值为 f(200)=-15×2003+24 000×200-50 000=3 150 000. 故该厂每月生产 200 吨产品才能使利润达到最大,最大利润为 315 万元.
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=-13x3+4x+3(0≤x≤3), ∴g′(x)=-x2+4. 令 g′(x)=0,解得 x=-2(舍去)或 x=2. 当 0≤x<2 时,g′(x)>0;当 2<x≤3 时,g′(x)<0, 故 g(x)在[0,2)上是增函数,在(2,3]上是减函数. ∴当 x=2 时,g(x)取最大值,即将 2 百万元用于技术改造, 1 百万元用于广告促销时,该公司由此获得的收益最大.
产品的价格 p(元/吨)之间的关系式为 p=24 200-15x2,且生 产 x 吨的成本为 R=50 000+200x(元).问:该厂每月生产多 少吨产品才能使利润达到最大?最大利润是多少?
解:依题意,每月生产 x 吨时的利润为
f(x)=24
200-15x2x-(50
000+200x)
=-15x3+24 000x-50 000(x≥0).
(1)求 k 的值及 f(x)的表达式; (2)隔热层修建多厚时,总费用 f(x)达到最小?并求最小值.
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[解]
(1)由题设,每年能源消耗 费用为
C(x) =
k 3x+5
(0≤x≤10),
再由 C(0)=8,得 k=40,因此 C(x)=3x4+0 5.
而建造费用为 C1(x)=6x. 最后得隔热层建造费用与 20 年的能源消耗费用之和为 f(x)
第七页,编辑于星期五:十六点 四十分。
[类题通法] 利用导数解决优化问题的一般步骤
(1)抽象出实际问题的数学模型,列出函数解析式 y= f(x).
(2)求函数 f(x)的导数 f′(x),并解方程 f′(x)=0,即求 函数可能的极值点.
(3)比较函数 f(x)在区间端点的函数值和可能极值点的函 数值的大小,得出函数 f(x)的最大值或最小值.
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[解] (1)设投入 t 百万元的广告费后增加的收益为 f(t)百万 元,则有
f(t)=(-t2+5t)-t=-t2+4t =-(t-2)2+4(0≤t≤3), ∴当 t=2 时,f(t)取得最大值 4, 即投入 2 百万元的广告费时,该公司由此获得的收益最大. (2)设用于技术改造的资金为 x 百万元,则用于广告促销的 资金为(3-x)百万元,又设由此获得的收益是 g(x),则 g(x)=-13x3+x2+3x+[-(3-x)2+5(3-x)]-3
1.4
生活中的优化问题举例
生活中的优化问题举例 [提出问题] 某厂家计划用一种材料生产一种盛 500 mL 溶液的圆 柱形易拉罐. 问题 1:生产这种易拉罐,如何计算材料用的多少呢? 提示:计算出圆柱的表面积即可.
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问题 2:如何制作使用材料才能最省? 提示:要使用料最省,只需圆柱的表面积最小.可设圆 柱的底面半径为 x,列出圆柱表面积 S=2πx2+1 0x00(x>0), 求 S 最小时,圆柱的半径、高即可.
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解:(1)Q=P·4v00=19 1200v4-1610v3+15v·4v00
=19
1200v3-1160v2+15×400
=4v83-52v2+6 000(0<v≤100).
(2)Q′=1v62-5v,
令 Q′=0,则 v=0(舍去)或 v=80.
当 0<v<80 时,Q′<0;
(4)根据实ห้องสมุดไป่ตู้问题的意义给出答案.
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[活学活用] 如右图,要设计一矩形广告牌,该广告牌 含有大小相等的左右两个矩形栏目(即图 中阴影部分),这两栏的面积之和为 18 000 cm2,四周空白的宽度为 10 cm,两栏之间 的中缝空白的宽度为 5 cm.怎样确定广告牌的高与宽的尺寸(单 位:cm),能使矩形广告牌面积最小?
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3.导数在实际问题中的应用 [典例] (12 分)如下图,有一块半椭圆形钢板,其长半轴 长为 2,短半轴长为 1,计划将此钢板切割成等腰梯形的形状, 下底 AB 是半椭圆的短轴,上底 CD 的端点在椭圆上,记|CD| =2x,梯形的面积为 S.
(1)求面积 S 以 x 为自变量的函数解析式,并写出其定义域; (2)求面积 S 的最大值.
当 80<v≤100 时,Q′>0,
∴v=80 千米/时时,全程运输成本取得极小值,即最小值,
且 Qmin=Q(80)=2 0300(元).
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利用导数解决利润最大问题
[例 3] 某公司为了获得更大的利益,每年要投入一定的 资金用于广告促销.经调查,每年投入广告费 t(单位:百万元), 可增加销售额约为-t2+5t(单位:百万元,且 0≤t≤5).
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[解题流程]
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[活学活用] 有甲、乙两个工厂,甲厂位于一直线河岸的岸边 A 处,乙厂与 甲厂在河的同侧,乙厂位于离河岸 40 km 的 B 处,乙厂到河岸 的垂足 D 与 A 相距 50 km,两厂要在此岸边合建一个供水站 C, 从供水站到甲厂和乙厂的水管费用分别为每千米 3a 元和 5a 元,问:供水站 C 建在岸边何处才能使水管费用最省? 解:如右图所示,依题意,点 C 在线段 AD 上, 设 C 点距 D 点 x km,则 AC=50-x,因为 BD=40, 所以 BC= BD2+CD2= 402+x2.
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[类题通法] 利润最大问题的解决方法
利润问题是经济生活中最为常见的问题.一般来说, 利润等于总收入减去总成本,而总收入等于产量乘价 格.由此可以得到利润与产量的函数关系式,进而用导数 求最大利润.
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[活学活用] 某工厂生产某种产品,已知该产品的月生产量 x(吨)与每吨
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令 S′(x)>0,得 x>140, 令 S′(x)<0,得 20<x<140. ∴函数 S(x)在(140,+∞)上单调递增,在(20,140)上单调 递减, ∴S(x)的最小值为 S(140). 当 x=140 时,y=175. 即当 x=140,y=175 时,S(x)取得最小值 24 500, 故当广告牌的高为 140 cm,宽为 175 cm 时,可使广告牌 的面积最小.
第九页,编辑于星期五:十六点 四十分。
解:设广告牌的高和宽分别为 x cm,y cm, 则每栏的高和宽分别为 x-20,y-225,其中 x>20,y>25. 两栏面积之和为 2(x-20)·y-225=18 000, 由此得 y=1x8-02000+25. 广告牌面积为 S(x)=x1x8-02000+25=1x8-00200x+25x, ∴S′(x)=18 000x[-x-20202 -x]+25=-x3-60200020+25.
第五页,编辑于星期五:十六点 四十分。
[解] 在如图①所示的△ABC 中,设|BD|=x(0<x<3), 则|CD|=3-x.由 AD⊥BC,∠ACB=45°知,△ADC 为等腰直 角三角形,所以|AD|=|CD|=3-x.
由折叠前 AD⊥BC 知,折叠后,如图②所示,AD⊥DC, AD⊥BD,且 BD∩DC=D,所以 AD⊥平面 BCD.又∠BDC= 90°,所以 S△BCD=12|BD|·|CD|=12x(3-x).
第十四页,编辑于星期五:十六点 四十分。
[类题通法] 解决优化问题应关注两点
(1)在列函数解析式时,要注意实际问题中变量的取值 范围,即函数的定义域.
(2)一般地,通过函数的极值来求得函数的最值.如果 函数 f(x)在给定区间内只有一个极值点或函数 f(x)在开区 间上只有一个点使 f′(x)=0,则只要根据实际意义判断该 值是最大值还是最小值即可,不必再与端点处的函数值进 行比较.
于是 VA-BCD=13|AD|·S△BCD=13(3-x)·12x(3-x)=16(x3-6x2 +9x).
第六页,编辑于星期五:十六点 四十分。
令 f(x)=16(x3-6x2+9x), 由 f′(x)=12(x-1)·(x-3)=0,且 0<x<3,解得 x=1. 当 x∈(0,1)时,f′(x)>0; 当 x∈(1,3)时,f′(x)<0. 所以当 x=1 时,f(x)取得最大值 f(1)=23, 即 VA-BCD 取得最大值23. 故当|BD|=1 时,三棱锥 A-BCD 的体积最大.
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[导入新知] 1.优化问题 生活中经常遇到求 利润最大 、 用料最省 、效率最高 等 问题,这些问题通常称为优化问题.
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[化解疑难] 1.在求实际问题的最大(小)值时,一定要考虑实际问题 的意义,不符合实际意义的值应舍去. 2.在解决实际优化问题时,不仅要注意将问题中涉及 的变量关系用函数关系表示,还应确定出函数关系式中自变 量的取值范围.
(1)若该公司将当年的广告费控制在 3 百万元之内,则应 投入多少广告费,才能使该公司由此获得的收益最大?
(2)现该公司准备共投入 3 百万元,分别用于广告促销和 技术改造.经预测,每投入技术改造费 x(单位:百万元),可 增加的销售额约为-13x3+x2+3x(单位:百万元).请设计一个 资金分配方案,使该公司由此获得的收益最大(注:收益=销 售额-投入).
=20C(x)+C1(x)=20×3x4+0 5+6x=38x0+05+6x(0≤x≤10).
第十三页,编辑于星期五:十六点 四十分。
(2)f′(x)=6-32x+40502, 令 f′(x)=0,即32x+40502=6, 解得 x=5 或 x=-235(舍去). 当 0<x<5 时,f′(x)<0, 当 5<x<10 时,f′(x)>0,故 x=5 是 f(x)的最小值点, 对应的最小值为 f(5)=6×5+1850+05=70. 当隔热层修建 5 cm 厚时,总费用达到最小值 70 万元.
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