Články » SŠ Matematika

Využití derivace - Optimalizační úlohy

Vydáno dne v kategorii SŠ Matematika; Autor: Jakub Vojáček; Počet přečtení: 31 164

Využití derivací při řešeních optimalizačních úloh.


V článku Základy derivace jsme se naučili základy derivování. Dnes si ukážeme příklady, které budeme řešit právě pomocí derivací.

Příklad 1

Rozdělte číslo 30 na dva sčítance tak, aby jejich součin byl maximální. 

Sestavíme si dvě rovnice:
x + y = 30
x * y = max

Pokusíme se soustavu rovnic převést na jednu rovnici. 

\begin{array}{rcl}y\ &=&\ 30\ -\ x\\x\ \cdot\ y\ &=&\ max\end{array}

(30\ -\ x)\ \cdot\ x\ =\ f(x)
f(x):\ y\ =\ -x^2\ +\ 30x

Získali jsme funkce jedné proměnné. My se snažíme najít místo, kde funkce nabývá největší hodnoty, tedy extrém funkce (přejít na článek Průběh funkce - Hledání extrémů). Ten najdeme tak, že najdeme x, pro která je první derivace rovna nule:

f(x):\ y\ =\ -x^2\ +\ 30x
f'(x):\ y\ =\ -2x\ +\ 30
0 =\ -2x\ +\ 30\\x\ =\ 15

Funkce nabývá největší hodnoty, když x = 15. Dokazuje to i následující graf.

Využití derivace - Optimalizační úlohy

Našli jsme hodnotu proměnné x. Zbývá dopočítat hodnotu y: y = 30 - x = 15. Nejvyšší součin budou mít čísla 15 a 15.

Příklad 2

Určete rozměry obdélníku o obvodu o = 20cm měl maximální obsah. 

Pro obdélník platí:
obvod = 2a + 2b
20 = 2a + 2b

obsah = a * b
f(a) = a * b

Nejprve musíme funkci x převést na funkci jedné proměnné. Vyjádříme proto z první rovnice b a dosadíme ho.

b\ =\ \frac{20\ -\ 2a}{2}
f(a)\ = a\ \cdot\ b
f(a)\ = a\ \cdot\ \frac{20\ -\ 2a}{2}\ =\ -a^2\ +\ 10a

Najdeme extrém funkce:

f(a)\ =\ -a^2\ +\ 10a\\f'(a)\ =\ -2a\ +\ 10
0\ =\ -2a\ +\ 10\\a\ =\ 5

Dopočítáme b: 

b\ =\ \frac{20\ -\ 2a}{2}\ =\ 5

Obdélník bude mít rozměry a = 5 a b = 5.

Příklad 3

Válec má objem V = 27. Najděte jeho výšku a poloměr tak, aby jeho povrch byl co nejmenší.

Pro válec platí:
V\ =\ \pi\cdot r^2\cdot v\\27\ =\ \pi\cdot r^2\cdot v\\S\ =\ \pi\cdot r^2\ +\ 2\pi\cdot\ r\cdot v

Z první rovnice si vyjádříme v a dosadíme ho do druhé. 

v\ =\ \frac{27}{\pi r^2}
S\ =\ \pi\cdot r^2\ +\ 2\pi\cdot\ r\cdot v\\S\ =\ \pi\cdot r^2\ +\ \frac{54\pi r}{\pi r^2}\ =\ \pi\cdot r^2\ + \frac{54}{r}

Nyní derivujeme podle r a najdeme extrém.

S\ =\ \pi\cdot r^2\ + \frac{54}{r}\\S'\ =\ 2\pi r\ -\ \frac{54}{r^2}

\begin{array}{rcl}2\pi r\ -\ \frac{54}{r^2}\ &=& \ 0\\2\pi r^3\ &=&\ 54\\r\ &=&\ \frac{3}{\sqrt[3]{ \pi}}\end{array}

Spočítali jsme r, zbývá dopočítat v. 

v\ =\ \frac{27}{\pi r^2}\ =\ \frac{27}{\frac{9\pi}{\sqrt[3]{\pi^2}}}\ =\ \frac{3\sqrt[3]{\pi^2}}{\pi}\ =\ \frac{3}{\sqrt[3]{\pi}}

Příklad 4

Továrna T je vzdálena 5 kilometrů od silnice vedoucí do města M. Vzdálenost továrny od města je 13 kilometrů. Určete, pod jakým úhlem je třeba vybudovat novou cestu k silnici tak, aby doprava z továrny do města byla nejlevnější, za předpokladu, že náklady materiálu na 1 kilometr jsou po silnici 5 Kč a po nově vybudované cestě 15 Kč.

Využití derivace - Optimalizační úlohy

Funkci vyjadřující cenu přepravy není tak složité sestavit. 

cena\ =\ (12\ -\ y)\ \cdot\ 5\ +\ x\ \cdot\ 15

Proměnné x a y lze vyjádřit pomocí úhlu α:

\mathrm{tg}\alpha\ =\ \frac{5}{y}\\\sin\alpha\ =\ \frac{5}{x}
Dosadíme do našeho vzorce:
cena\ =\ (12\ -\ \frac{5}{\mathrm{tg}\alpha})\ \cdot\ 5\ +\ \frac{5}{\sin\alpha}\ \cdot\ 15
Upravíme výraz do trochu lidštější podoby

cena\ =\ (60\ -\ \frac{25\cos\alpha}{sin\alpha})\ +\ \frac{75}{\sin\alpha}\\cena\ =\ \frac{60\sin\alpha\ -\ 25\cos\alpha\ +\ 75}{\sin\alpha}

Nyní už můžeme začít derivovat:

cena'\ =\ \frac{(60\cos\alpha\ +\ 25\sin\alpha\)\sin\alpha\ -\ (60\sin\alpha\ -\ 25\cos\alpha\ +\ 75)\cos\alpha}{\sin^2\alpha}
cena'\ =\ \frac{25\sin^2\alpha\ +\ 25\cos^2\alpha\ -\ 75\cos\alpha}{\sin^2\alpha}
Najdeme extrém funkce
\begin{array}{rcl}0\ &=&\ \frac{25\sin^2\alpha\ +\ 25\cos^2\alpha\ -\ 75\cos\alpha}{\sin^2\alpha}\\0\ &=&\ 25(\sin^2\alpha\ +\ \cos^2\alpha-3\cos\alpha)\\-3\cos\alpha\ &=&\ -1\\\cos\alpha\ &=&\ \frac{1}{3}\end{array}
Úhel α je tedy přibližně roven 70°

Nejnižších nákladů za dopravu dosáhneme tehdy, postavíme-li cestu pod úhlem přibližně 70°.

Test

Přímka je dána body A[0; 4] a B[1; 2]. Najděte její parametrickou rovnici.


Hlavolam

Akce! Tma, bouřka, silný déšť. Podminovaná lávka přes širokou rozvodněnou řeku. Dvoučlené komadno prozatím uspělo. Oba politici držení v zajetí teroristy byli osvobozeni. Ještě je třeba se dostat na druhou stranu lávky, která exploduje za 17 minut. Víc času není. Lávka je ale moc úzká a bambus víc jak dva lidi najednou neunese. A pak, je hrozná tma a oni mají jenom jednu baterku (asi nízkorozpočtový film). Bez baterky se lávka prostě přejít nedá. To by byla sebevražda. Oba komandos jsou celkem ve formě: první přeběhne lávku za 1 minutu, druhý za 2 minuty. Politici jsou na tom, ale hůř: jeden přejde lávku za 5 a druhý za 10 minut. Přes lávku mohou jít jen dva najednou a ten rychlejší samozřejmě musí čekat na toho pomalejšího. Jak to stihnou? Nebo to nebude americkej happyend?

Kopírovat obsah stránek, čí s ním jinak manipulovat bez svolení jeho autora, je zakázáno.

ISSN: 1803-7615 © maths.cz 2008-2024 © content: Matematika pro každého, Jakub Vojáček