Оптимизационные задачи для функций одного переменного

Задача 1. Владелец грузового судна должен перевезти груз по реке из одного порта в другой. Расходы этого владельца складываются из расходов на содержание экипажа и из затрат на топливо. Выясним, какую скорость движения судна следует выбрать, если увеличение скорости ведет к большим тратам на топливо (расходы на топливо пропорциональны кубу скорости), а уменьшение скорости, а значит, увеличение времени пути приведет к большим тратам на питание команды.

Р е ш е н и е. Мы ищем оптимальное значение величины скорости . Обозначим суточные расходы на топливо , а суточные расходы на питание команды . Пусть – расстояние, которое должна пройти баржа. Тогда время в пути равно . Следовательно, путевые расходы составляют .

Нам нужно найти такое положительное значение , которое обеспечит минимум введенной функции. Используя доказанную теорему, приравняем нулю производную введенной функции: . Получим точку экстремума . То, что мы получили минимум, а не максимум, следует из поведения функции при значениях переменной , близких к 0 и к бесконечности: функция при таких значениях переменной стремится к положительной бесконечности. Следовательно, единственный экстремум этой функции может быть только минимумом. Таким образом, оптимальная скорость движения баржи по реке .

Задача 2. У слесаря есть жестяной диск. Какой сектор следует вырезать из этого диска, чтобы из оставшейся части диска можно было свернуть воронку наибольшей вместимости?

Р е ш е н и е. Очевидно, что сектор определяется углом при вершине. Обозначим этот угол . Известно, что объем конуса (воронки) равен, в соответствии с введенными обозначениями, . Выразим через радиус основания конуса , сравнив площадь оставшейся части диска и площадь боковой поверхности конуса. Площадь оставшейся части диска равна . Площадь боковой поверхности конуса равна . Из соотношения получим . Следовательно, . Вследствие громоздкости полученного выражения перейдем к новой переменной . Теперь . Найдем критическую точку этой функции на отрезке [0,1], именно она является точкой максимума, так как на концах отрезка функция обращается в нуль. Критической точкой является . Следовательно, угол при вершине сектора, который нужно вырезать, равен .

Задачи для самостоятельного решения.

1. Сеткой длиной 120 м нужно огородить прилегающую к дому прямоугольную площадку наибольшей площади.

2. Из квадратного листа картона со стороной вырезаются по углам одинаковые квадраты, и из оставшейся части склеивается прямоугольная коробка. Какова должна быть сторона вырезаемого квадрата, чтобы объем коробки был наибольшим?

3. Определить размеры открытого бассейна с квадратным дном объемом так, чтобы на облицовку его стен и дна пошло наименьшее количество материала.

4. При каких линейных размерах закрытая цилиндрическая банка данной вместимости будет иметь наименьшую полную поверхность?

5. Из круглого бревна диаметра вытесывается балка с прямоугольным поперечным сечением, основание которого равно , высота . При каких размерах балка будет иметь наибольшую прочность, если прочность ее пропорциональна ?

6. Завод отстоит от железной дороги, идущей с юга на север и проходящей через город , считая по кратчайшему расстоянию, на

км. Под каким углом к железной дороге следует построить

подъездной путь от завода, чтобы транспортировка грузов из в

была наиболее экономичной, если стоимость провоза тонны груза на

расстояние 1 км составляет по подъездному пути руб., а по

железной дороге руб. () и город расположен на км

севернее завода ?

7. К каналу ширины подходит под прямым углом канал ширины .

Бревна какой наибольшей длины можно сплавлять по этой системе

каналов?

8. При каких размерах открытая цилиндрическая ванна с полукруглым

поперечным сечением, поверхность которой равна , имеет

наибольшую вместимость?

В некоторых из предложенных задач присутствуют параметры. В том случае, когда исследуемая функция не содержит параметров, легко найти наибольшие и наименьшие значения с помощью графика. В настоящее время в связи с наличием пакетов компьютерных программ нет необходимости строить графики вручную. Так, пакет программ MAXIMA мгновенно рисует графики явно заданных функций с помощью команды plot2d. Например, при решении задачи 1 для самостоятельного решения следовало найти наибольшее значение функции . Поскольку , построим график функции на отрезке с помощью команды plot2d((120-2*h)*h,[h,0,60]), набрав эту команду и нажав Shift+Enter. Мы получим график вида

В соответствии с этим графиком максимальное значение функции достигается при .

Дата добавления: 2014-01-20