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- 2021-06-19 发布
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1.4 生活中的优化问题举例
学习目标:1.体会导数在解决实际问题中的作用.2.能利用导数解决简单的实际问题.(重点、难点)
[自 主 预 习·探 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.
2.用导数解决优化问题的基本思路
思考:解决生活中优化问题应注意什么?
[提示](1)在建立函数模型时,应根据实际问题确定出函数的定义域.
(2)求实际问题的最大(小)值时,一定要从问题的实际意义去考查,不符合实际意义的应舍去,如:大度、宽度应大于0,销售价为正数等.
[基础自测]
1.已知某生产厂家的年利润y(单位: 万元)与年产量x(单位:万件)的函数关系式为y=-x3+81x-234,则使该生产厂家获取最大年利润的年产量为
( )
A.7万件 B.9万件
C.11万件 D.13万件
B [设y=f(x),
即f(x)=-x3+81x-234.
故f′(x)=-x2+81.令f′(x)=0,即-x2+81=0,
解得x=9或x=-9(舍去).
当0<x<9时,f′(x)>0,函数y=f(x)单调递增;
当x>9时,f′(x)<0,函数y=f(x)单调递减.
因此,当x=9时,y=f(x)取最大值.
故使该生产厂家获取最大年利润的年产量为9万件.]
2.炼油厂某分厂将原油精炼为汽油,需对原油进行冷却和加热,如果第x
9
小时,原油温度(单位:℃)为f(x)=x3-x2+8(0≤x≤5),那么原油温度的瞬时变化率的最小值是( )
【导学号:31062069】
A.8 B.
C.-1 D.-8
C [由题意,f′(x)=x2-2x=(x-1)2-1,
∵0≤x≤5,
∴x=1时,f′(x)的最小值为-1,
即原油温度的瞬时变化率的最小值是-1.]
3.做一个容积为256 m3的方底无盖水箱,所用材料最省时,它的高为
( )
A.6 m B.8 m
C.4 m D.2 m
C [设底面边长为x m,高为h m,则有x2h=256,所以h=.所用材料的面积设为S m2,则有S=4x·h+x2=4x·+x2=+x2.S′=2x-,令S′=0,得x=8,因此h==4(m).]
4.某一件商品的成本为30元,在某段时间内,若以每件x元出售,可卖出(200-x)件,当每件商品的定价为______元时,利润最大.
【导学号:31062070】
[解析] 利润为S(x)=(x-30)(200-x)
=-x2+230x-6 000,S′(x)=-2x+230,
由S′(x)=0,得x=115,这时利润达到最大.
[答案] 115
[合 作 探 究·攻 重 难]
面积、体积的最值问题
请你设计一个包装盒,如图141,ABCD是边长为60 cm的正方形硬纸片,切去阴影部分所示的四个全等的等腰直角三角形,再沿虚线折起,使得A,B,C,D四个点重合于图中的点P,正好形成一个正四棱柱形状的包装盒,E,F在AB上,是被切去的一个等腰直角三角形斜边的两个端点,设AE=FB=x(cm).
9
图141
(1)某广告商要求包装盒的侧面积S(cm2)最大,试问x应取何值?
(2)某厂商要求包装盒的容积V(cm3)最大,试问x应取何值?并求出此时包装盒的高与底面边长的比值.
[解] 设包装盒的高为h cm,底面边长为a cm.
由已知得a=x,h==(30-x),0<x<30.
(1)S=4ah=8x(30-x)=-8(x-15)2+1 800,
所以当x=15时,S取得最大值.
(2)V=a2h=2(-x3+30x2),V′=6x(20-x).
由V′=0,得x=0(舍去)或x=20.
当x∈(0,20)时,V′>0;当x∈(20,30)时,V′<0.
所以当x=20时,V取得极大值,也是最大值.
此时=,即包装盒的高与底面边长的比值为.
[规律方法] (1)立体几何中的最值问题往往涉及空间图形的表面积、体积,在此基础上解决与实际相关的问题.
(2)解决此类问题必须熟悉简单几何体的表面积与体积公式,如果已知图形是由简单几何体组合而成,则要分析其组合关系,将图形进行拆分或组合,以便简化求值过程.
[跟踪训练]
1.周长为20 cm的矩形,绕一条边旋转成一个圆柱,则圆柱体积的最大值为________cm3.
【导学号:31062071】
[解析] 设矩形的长为x cm,
则宽为(10-x)cm(0<x<10).
由题意可知圆柱体积为
V=πx2(10-x)=10πx2-πx3.
∴V′=20πx-3πx2,
令V′(x)=0,得x=0(舍去)或x=,
且当x∈时,V′(x)>0,
9
当x∈时,V′(x)<0,
∴当x=时,V(x)max=π cm3.
[答案] π
用料最省、成本(费用)最低问题
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)=(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.
(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.
[思路探究] (1)由C(0)=8可求k的值从而求出f(x)的表达式.
(2)求导数式f(x)的最小值.
[解] (1)由题设,每年能源消耗费用为C(x)=(0≤x≤10),再由C(0)=8,得k=40,因此C(x)=.
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)=20C(x)+C1(x)=20×+6x=+6x(0≤x≤10).
(2)f′(x)=6-,
令f′(x)=0,即=6,
解得x=5或x=-(舍去).
当00,故x=5是f(x)的最小值点,对应的最小值为f(5)=6×5+=70.
当隔热层修建5 cm厚时,总费用达到最小值70万元.
[规律方法]
9
1.用料最省、成本(费用)最低问题是日常生活中常见的问题之一,解决这类问题要明确自变量的意义以及最值问题所研究的对象.正确书写函数表达式,准确求导,结合实际作答.
2.利用导数的方法解决实际问题,当在定义区间内只有一个点使f′(x)=0时,如果函数在这点有极大(小)值,那么不与端点值比较,也可以知道在这个点取得最大(小)值.
[跟踪训练]
2.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=v4-v3+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.
【导学号:31062072】
[解] (1)Q=P·
=·
=·400
=-v2+6 000(00,
∴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)=(元).
利润最大、效率最高问题
[探究问题]
1.在实际问题中,如果在定义域内函数只有一个极值点,则函数在该点处取最值吗?
提示:根据函数的极值与单调性的关系可以判断,函数在该点处取最值,并且极小值点对应最小值,极大值点对应最大值.
2.你能列举几个有关利润的等量关系吗?
提示:(1)利润=收入-成本.
(2)利润=每件产品的利润×销售件数.
某商场销售某种商品的经验表明,该商品每日的销售量y
9
(单位:千克)与销售价格x(单位:元/千克)满足关系式y=+10(x-6)2,其中3<x<6,a为常数,已知销售价格为5元/千克时,每日可售出该商品11千克.
(1)求a的值;
(2)若该商品的成本为3元/千克,试确定销售价格x的值,使商场每日销售该商品所获得的利润最大.
[思路探究] (1)根据x=5时,y=11求a的值.
(2)把每日的利润表示为销售价格x的函数,用导数求最大值.
[解] (1)因为x=5时,y=11,所以+10=11,a=2.
(2)由(1)知,该商品每日的销售量
y=+10(x-6)2,
所以商场每日销售该商品所获得的利润
f(x)=(x-3)=2+10(x-3)(x-6)2,3<x<6,
从而,f′(x)=10[(x-6)2+2(x-3)(x-6)]
=30(x-4)·(x-6),
于是,当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
(3,4)
4
(4,6)
f′(x)
+
0
-
f(x)
极大值42
由上表可得,x=4是函数f(x)在区间(3,6)内的极大值点,也是最大值点,
所以,当x=4时,函数f(x)取得最大值,且最大值等于42.
故当销售价格为4元/千克时,商场每日销售该商品所获得的利润最大.
母题探究:(变条件)本例条件换为:
该商品每日的销售量y(单位:千克)与销售价格x(单位:元/千克,1<x≤12)满足:当1<x≤4时,y=a(x-3)2+,(a,b为常数);当4<x≤12时,y=-100.已知当销售价格为2元/千克时,每日可销售出该特产800千克;当销售价格为3元/千克时,每日可售出150千克.
(1)求a,b的值,并确定y关于x的函数解析式;
(2)若该商品的销售成本为1元/千克,试确定销售价格x的值,使店铺每日销售该特产所获利润f(x)最大,(≈2.65)
[解] (1)由题意:x=2时y=800,∴a+b=800,
又∵x=3时y=150,∴b=300,可得a=500.
9
∴y=,
(2)由题意:
f(x)=y(x-1)=
,
当1<x≤4时,f(x)=500(x-3)2(x-1)+300=500x3-3 500x2+7 500x-4 200,
f′(x)=500(3x-5)(x-3),
∴由f′(x)>0,得<x<3,
∴f(x)在,(3,4)上递增,在上递减,
∵f=+450<f(4)=1 800,
∴当x=4时有最大值,f(4)=1 800
当4<x≤12时,
f(x)=(x-1)=2 900-100x+≤2 900-400≈1 840,
当且仅当100x=,即x=2≈5.3时取等号,
∴x=5.3时有最大值1 840,
∵1 800<1 840,
∴当x=5.3时f(x)有最大值1 840,即当销售价格为5.3元的值,使店铺所获利润最大.
[规律方法] 利润最大问题是生活中常见的一类问题,一般根据“利润=收入-成本”建立函数关系式,再利用导数求最大值.
解此类问题需注意两点:①价格要大于或等于成本,否则就会亏本;②销量要大于0,否则不会获利.
[当 堂 达 标·固 双 基]
1.某箱子的体积与底面边长x的关系为V(x)=x2(00,
此时V(x)单调递增;
当40
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