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
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
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%)
- Ex. 62.1Application
用100米的围栏,能围成的最大矩形面积是多少?
- 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。
- 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?
- 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。
- Ex. 62.5Application
两个正数的和是20。找两个数使其乘积最大。
- Ex. 62.6ApplicationAnswer key
找正数 使 与其倒数乘以4的和最小。
- Ex. 62.7Application
找 轴上最接近点 的点。
- Ex. 62.8Application
找直线 上最接近点 的点。
- 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。
- 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 。
- Ex. 62.11Application
一个企业有收入 和成本 。确定最大化利润的产量。
- 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。
- Ex. 62.13UnderstandingAnswer key
在约束优化问题中,约束方程的正确作用是什么?
- Ex. 62.14Understanding
要找到 在 上的绝对最大值或最小值,必须:
- Ex. 62.15Application
确定内接于半径 的球的最大体积圆柱的尺寸。
- Ex. 62.16ApplicationAnswer key
确定抛物线 上最接近点 的点。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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 。
- Ex. 62.21Application
两个数的和是10。找使其平方和最小的两个数。
- 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。
- Ex. 62.23ApplicationAnswer key
确定内接于半径5的半圆的矩形最大面积。
- Ex. 62.24Application
确定曲线 上最接近点 的点。
- 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?
- 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?
- 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。
- 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。)
- 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)。
- 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
- Boelkins, Matt. Active Calculus 2.0. Grand Valley State University, 2022. CC-BY-NC-SA. activecalculus.org/single/sec-3-3-optimization.html
- OpenStax. Calculus Volume 1. Strang, Herman et al., 2023. CC-BY-NC-SA. openstax.org/books/calculus-volume-1/pages/4-7-applied-optimization-problems
- Hartman, G. et al. APEX Calculus. Virginia Military Institute, 2023. CC-BY-NC. apexcalculus.com