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Lição 62 — Otimização aplicada

Método geral de otimização com uma variável: modelar, derivar, classificar. Problemas clássicos de caixa, lata, cerca, custo e lucro.

Used in: 2.º ano EM · Equiv. Math II/III japonês · Equiv. Analysis Klasse 12 alemã · Equiv. H2 Maths Singapura

建模Q=f(x)f(x)=0分类\text{建模} \to Q = f(x) \to f'(x^*) = 0 \to \text{分类}
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

通用方法和基础

约束优化问题

优化算法(单变量)

"Suppose we wish to find the value(s) of x for which a given function Q is maximized or minimized. We use derivatives to find critical points and then evaluate Q at those points and at the endpoints of the domain to determine the absolute maximum or minimum." — Active Calculus §3.3

典型例子:体积固定的圆柱形罐头

"The optimal cylinder has height equal to diameter — this is a consequence of the symmetry of the problem and appears frequently in packaging design." — OpenStax Calculus Vol. 1, §4.7

r*最小值A(r)r

的示意图:在最优点 前递减,之后递增。最小值是唯一的内部临界点。

已解决的例子

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 2Modeling 5Challenge 1Proof 2
  1. Ex. 62.1Application

    用100米的围栏,能围成的最大矩形面积是多少?

  2. Ex. 62.2Application

    一个矩形牧地由一条与宽平行的围栏从中间分开。围栏总长(周长 + 分隔线)是120米。最大化面积。

  3. Ex. 62.3Application

    一个圆柱形杯子(有底但无顶)必须有500立方厘米的体积。哪些尺寸最小化所用材料?

  4. Ex. 62.4ApplicationAnswer key

    一个方形底无顶的矩形盒必须有32立方厘米的体积。底部材料成本2元/平方厘米,侧面成本1元/平方厘米。最小化总成本。

  5. Ex. 62.5Application

    两个正数的和是20。找两个数使其乘积最大。

  6. Ex. 62.6ApplicationAnswer key

    找正数 使 与其倒数乘以4的和最小。

  7. Ex. 62.7Application

    轴上最接近点 的点。

  8. Ex. 62.8Application

    找直线 上最接近点 的点。

  9. Ex. 62.9Application

    从24厘米 × 9厘米的纸板中,在四个角裁剪一个正方形并折起边缘。确定最大化无顶盒体积的裁剪。

  10. Ex. 62.10Application

    产品的需求函数是 (价格元/单位, 销售单位)。最大化总收入

  11. Ex. 62.11Application

    一个企业有收入 和成本 。确定最大化利润的产量。

  12. Ex. 62.12Application

    一个方形底带盖的盒必须有96立方厘米的体积。最小化总表面积。

  13. Ex. 62.13UnderstandingAnswer key

    在约束优化问题中,约束方程的正确作用是什么?

  14. Ex. 62.14Understanding

    要找到 上的绝对最大值或最小值,必须:

  15. Ex. 62.15Application

    确定内接于半径 的球的最大体积圆柱的尺寸。

  16. Ex. 62.16ApplicationAnswer key

    确定抛物线 上最接近点 的点。

  17. Ex. 62.17Modeling

    一个300平方米的矩形区域将被围栏。东边(长 )成本2元/米,其他边每米成本3元。最小化总成本。

  18. Ex. 62.18ModelingAnswer key

    物体从高度3米以初速度20米/秒竖直向上抛出。模型:。确定最大高度。

  19. Ex. 62.19Modeling

    一个200立方厘米的圆柱形罐,底面和顶盖材料成本10元/平方厘米,侧面成本6元/平方厘米。确定最小化成本的尺寸。

  20. Ex. 62.20Modeling

    健身房走廊是矩形,两短边为半圆(椭圆跑道)。总周长20米。确定最大化内部面积的半径

  21. Ex. 62.21Application

    两个数的和是10。找使其平方和最小的两个数。

  22. Ex. 62.22Application

    两个非负数的和是1。最大化第一个数的平方与第二个数的乘积。

  23. Ex. 62.23ApplicationAnswer key

    确定内接于半径5的半圆的矩形最大面积。

  24. Ex. 62.24Application

    确定曲线 上最接近点 的点。

  25. Ex. 62.25Application

    一个旅游团对100人的团体收费80元/人。每增加一名乘客,所有人的票价下降0.50元。多少乘客最大化收入?

  26. Ex. 62.26Modeling

    一个橙园每亩25棵树,每树产600个橙子。每增加一棵树,每树产量减少12个。每亩多少棵树最大化总产量?

  27. Ex. 62.27Application

    一个"诺曼"窗由矩形加上半圆组成。总周长10米。确定最大化窗户面积的半圆半径。

  28. Ex. 62.28ProofAnswer key

    用微积分证明:在所有和固定为 的正数对中,当两个数相等时乘积最大。(这为两项AM-GM不等式证明。)

  29. Ex. 62.29Proof

    证明:对于体积固定为 的最小表面积圆柱,满足 (高度等于直径)。

  30. Ex. 62.30Challenge

    确定内接于椭圆 的矩形最大面积,边平行于坐标轴。

来源

Updated on 2026-05-05 · Author(s): Clube da Matemática

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