3.5 Extremvärdesproblem
| <-- Förra demoavsnitt | Genomgång | Övningar |
Lektion 34 Extremvärdesproblem I
Lektion 35 Extremvärdesproblem II
Exempel 1 Rektangel i parabel
En rektangel är inbunden i en parabel vars ekvation är given:
Punkten \( \, (x,\,y) \, \) rör sig på parabeln, se figuren. Placera den så att rektangelns area \( \, A \, \) blir så stor som möjligt.
b) Bestäm \( \, x \, \) så att \( \, A(x) \, \) antar ett maximum. c) Beräkna rektangelns maximala area. |
|
Lösning:
a) Rektangelns area kan skrivas som \( \quad A\,(x, \, {\color{Red} y}) \; = \; 2 \, \cdot x \, \cdot \, {\color{Red} y} \)
- Men \( \, A\,(x, \, {\color{Red} y}) \, \) är en funktion av två variabler som vi inte kan hantera.
- För att skriva om den till en funktion \( \, A\,(x) \, \) av endast en variabel, nämligen \( \, x \, \), måste \( \, {\color{Red} y} \, \) elimineras.
- Det gör vi genom att utnyttja sambandet mellan \( \, x \, \) och \( \, {\color{Red} y} \, \) som är givet av parabelns ekvation.
- Rektangelns "rörliga" hörn \( \, (x,\,{\color{Red} y}) \, \) måste alltid ligga på parabeln. Därför måste \( \, x \, \) och \( \, y \, \) uppfylla parabelns ekvation:
- Detta samband kallas för problemets bivillkor.
Bivillkor för ett extremvärdesproblem
Ett extremvärdesproblems bivillkor är ett samband mellan problemets variabler och
bestäms av problemets givna geometriska eller andra egenskaper.
- Exemplets bivillkor är parabelns ekvation därför att punkten \( \, (x,\,y) \, \) alltid måste följa parabeln (problemets geometri), se figuren ovan.
- Bivillkoret används för att skriva om rektangelns area från en funktion av två variabler \( \, x \, \) och \( \, y \, \) till en funktion av en variabel \( \, x \).
- Därför sätter vi in parabelns ekvation \( \, \displaystyle {\color{Red} y} = -\,{\, x^2 \over 2} + 5 \, \) i rektangelns area \( \, A\,(x, \, {\color{Red} y}) = 2\cdot x \cdot {\color{Red} y} \, \) för att eliminera \( \, {\color{Red} y} \,\):
- \[ A\,(x, \, {\color{Red} y}) \, = \, 2 \cdot x \cdot {\color{Red} y} \, = \, 2 \cdot x \cdot \left({\color{Red} {-\,{\, x^2 \over 2} \, + \, 5}}\right) \, = \, -\,x^3 \, + \, 10\,x \]
- På så sätt får vi en funktion för rektangelns area som endast beror av \( \, x \, \). Denna funktion kallas för problemets målfunktion:
- Det är denna målfunktion (rektangelns area) som ska maximeras.
Målfunktion för ett extremvärdesproblem
Ett extremvärdesproblems målfunktion är alltid den funktion som ska maximeras eller minimeras.
Extremvärdesproblem består i regel av ett bivillkor och en målfunktion.
Bivillkoret används för att reducera målfunktionen till en funktion av endast en variabel.
- Exemplets målfunktion har definitionsmängden ovan vars vänstra ända \( \, 0 \, \) bestäms av att arean och därmed \( \, x \, \) inte kan bli negativ.
- Den högra ändan \( \, \sqrt{10} \, \) bestäms av parabelns positiva nollställe dvs av lösningen till ekvationen \( \, \displaystyle -{x^2 \over 2} + 5 = 0 \), se figuren ovan.
b) För att hitta målfunktionens lokala maximum deriverar vi \( \, A(x) \, \) och bestämmer derivatans nollställen:
|
\( \qquad \) | Derivatans nollställen:
|
\( \qquad \) | \(\begin{array}{rcrcl} A'(x) & = & -3\,x^2 \, + \, 10 & = & 0 \\ & & 10 & = & 3\,x^2 \\ & & {10 \over 3} & = & x^2 \\ & & x_{1, 2} & = & \sqrt{10 \over 3} \\ & & x_1 & = & 1,83 \\ & & x_2 & = & -1,83 \end{array}\) |
\( \quad\; x_2 = -1,83 \, \) förkastas därför att det ligger utanför målfunktionens definitionsmängd \( \, 0 \leq x \leq \sqrt{10} \), se a).
- Däremot ligger \( \, x_1 = 1,83 \, \) inom definitionsmängden. Vi sätter in \( \, x_1 \, \) i andraderivatan och använder reglerna om max/min:
\( \qquad\quad A''(1,83) = -6 \cdot 1,83 \, < \, 0 \quad \Longrightarrow \quad A(x) \, \) har ett lokalt maximum i \( \, x = 1,83 \, \).
- För \( \, x = 1,83 \, {\rm cm} \, \) antar målfunktionen (rektangelns area) sitt maximum.
c) För att bestämma rektangelns maximala area sätter vi in \( \, x = 1,83 \, \) i målfunktionen \( \, A(x) \):
- \[ A\,(x) \, = \, \displaystyle -\,x^3 \, + \, 10\,x \]
- \[ A(1,83) = -\,1,83^3 \, + \, 10 \cdot 1,83 \, = \, 12,17 \]
- Rektangelns maximala area är \( \, 12,17 \, \).
Exempel 2 Glasskiva (rektangel i triangel)
| En glasskiva har formen av en rätvinklig triangel med följande mått i cm:
En glasmästare ska skära ut en rektangulär glasplatta med maximal area ur skivan. a) Formulera problemets bivillkor. b) Ställ upp problemets målfunktion. Ange dess definitionsmängd. c) Bestäm \( \, x \, \) så att glasplattans area \( \, A(x) \, \) maximeras. d) Beräkna glasplattans maximala area. |
 |
Lösning:
a) Vi inför beteckningen \( \; {\color{Red} y} \; \) för glasplattans andra sida, så att rektangelns area kan skrivas som \( \; A\,(x, {\color{Red} y}) \; = \; x \; \cdot \; {\color{Red} y} \)
För att skriva om funktionen ovan till en funktion \( \, A\,(x) \, \) av endast en variabel, nämligen \( \, x \, \),
måste \( \, {\color{Red} y} \, \) uttryckas med \( \, x \, \), så att \( \, {\color{Red} y} \, \) kan elimineras.
Sambandet mellan \( \, x \, \) och \( \, {\color{Red} y} \, \) bestäms av rektangelns "rörliga" hörn som är bundet till triangelns hypotenusa.
Vi inför ett koordinatsystem och sätter glasskivan i det, se bilden:
| Triangelns hypotenusa blir då en del av en rät linje.
Punkten \( \, (x, y) \, \) rör sig på denna räta linje vars ekvation är:
Lutningen \( \, k \, = \, \displaystyle {\Delta y \over \Delta x} \, = \, - \, {20 \over 30} \, = \, - \, {2 \over 3} \) Skärningspunkten med \(\,y\)-axeln: \( \quad m \, = \, 20 \) Den räta linjens ekvation blir då problemets bivillkor:
|
|
b) Det ovan formulerade bivillkoret för glasskivan sätts in i \( \; A\,(x, {\color{Red} y}) = x \cdot {\color{Red} y} \; \) för att eliminera \( \, {\color{Red} y} \,\)
och ställa upp ett uttryck för arean som endast beror av \( \, x \):
- \[ A\,(x, \, {\color{Red} y}) \, = \, x \cdot {\color{Red} y} \, = \, x \cdot \left(-\,{2 \over 3}\,x \, + \, 20\right) \, = \, -\,{2 \over 3}\,x^2 \, + \, 20\,x \]
c) För att hitta målfunktionens lokala maximum deriverar vi \( \, A(x) \, \) och bestämmer derivatans nollställen:
|
\( \qquad \) | Derivatans nollställen:
|
\( \qquad \) | \(\begin{array}{rcrcl} A'(x) & = & -{4 \over 3}\,x + 20 & = & 0 \\
& & 20 & = & {4 \over 3}\,x \\
& & {20 \, \cdot \, 3 \over 4} & = & x \\
& & x & = & 15
\end{array}\)
|
\( \, x = 15 \, \) som ligger inom målfunktionens definitionsmängd, sätts in i andraderivatan enligt reglerna om max/min:
\( A''(15) = \displaystyle -\,{4 \over 3} \,<\, 0 \quad \Longrightarrow \quad A(x) \, \) har ett lokalt maximum i \( \, x = 15 \, \).
För \( \, x = 15 \, {\rm cm} \, \) antar målfunktionen ett maximum, dvs rektangelns area blir maximal.
d) Eftersom rektangeln får sin största area för \( \, x = 15 \, \) sätter vi in \( \, x = 15 \, \) i målfunktionen för att få största arean:
- \[ A\,(x) \, = \, \displaystyle -\,{2 \over 3}\,x^2 \, + \, 20\,x \]
- \[ A(15) = -\,{2 \over 3} \cdot 15^2 + 20 \cdot 15 = 150 \]
Glasplattans största area blir \( \, 150 \, {\rm cm}^2 \, \).
Exempel 3 Konservburk
| En plåtmakare har en bit plåt till förfogande och vill producera en
cylinderformad konservburk av den med maximal volym. Vi antar att cylinderns begränsningsarea blir \( \, = \, 500 \, {\rm cm}^2 \, \) efter spill. Vilka mått måste plåtmakaren välja för att burkens volym ska bli maximal? a) Formulera problemets bivillkor. b) Ställ upp problemets målfunktion. c) Bestäm cylinderns radie och höjd så att burkens volym blir maximal. |
|
d) Ange målfunktionens definitionsmängd. Rita graferna till bivillkoret och målfunktionen.
e) Beräkna konservburkens maximala volym.
f) Vilket samband råder mellan cylinderns radie \( \, r \, \) och dess höjd \( \, h \, \) när volymen maximeras?
Lösning:
a) Begränsningsarean \( \, A \, = \, 2\,\pi\,r\,h \, + 2\,\pi\,r^2 \, = \, 500 \)
\( h \, = \, \displaystyle {250 \over \pi\,r} \, - \, r \)
|
|
b) Cylinderns volym \( \, V \, \) är basytan \( \times \) höjden dvs: \( \qquad\qquad\quad V\,(r, \, {\color{Red} h}) \; = \; \pi \, r^2 \; \cdot \; {\color{Red} h} \, \)
För att skriva om denna funktion av två variabler till en funktion av endast en variabel,
sätter vi in bivillkoret från a) i \( \, V\,(r, \, {\color{Red} h}) \, \) och eliminerar \( \, {\color{Red} h} \, \):
- \[ V\,(r, \, {\color{Red} h}) \, = \, \pi \, r^2 \; \cdot \; {\color{Red} h} \, = \, \pi\,r^2\cdot \left( {\color{Red} {{250 \over \pi\,r}\,-\, r}} \right) \, = \, {250 \cdot \pi\,r^2 \over \pi\,r} \, - \, \pi\,r^3 \, = \, 250 \cdot r \, - \, \pi\,r^3 \]
c) Målfunktionen maximeras:
|
\( \qquad \) | Derivatans nollställen:
|
\( \qquad \) | \(\begin{array}{rcrcl} V'(r) & = & 250 \, - \, 3\,\pi\,r^2 & = & 0 \\ & & 250 & = & 3\,\pi\,r^2 \\ & & {250 \over 3\,\pi} & = & r^2 \\ & & r_{1, 2} & = & \pm\,\sqrt{250 \over 3\,\pi} \\ & & r & = & 5,15 \end{array}\) |
\( r_2 = -5,15 \, \) förkastas, för radien kan inte bli negativ.
\( \, r = 5,15 \, \) som ligger inom målfunktionens definitionsmängd, sätts in i andraderivatan enligt reglerna om max/min:
\( V''(5,15) = -6 \,\pi\cdot 5,15 \, < \, 0 \quad \Longrightarrow \quad V(r) \, \) har ett lokalt maximum för \( \, r = 5,15 \, \).
För att få cylinderns höjd när volymen maximeras sätter vi in \( \, r = 5,15 \, \) i bivillkoret från a):
- \[ h \, = \, \displaystyle {250 \over \pi\,r} \, - \, r \, = \, {250 \over \pi\cdot 5,15} \, - \, 5,15 \, = \, 10,30 \]
Cylinderns volym blir maximal för radien \( \; r = 5,15 \, {\rm cm} \; \) och höjden \( \; h = 10,30 \, {\rm cm} \; \).
d) För att bestämma målfunktionens definitionsmängd tittar vi först på bivillkoret: \( \qquad h \, = \, \displaystyle {250 \over \pi\,r} \, - \, r \)
Av detta framgår att \( \; r \; \) inte får vara \( \, 0 \, \): \( \; r \, \neq \, 0 \; \). Därför är \( \, 0 \, \) en undre gräns: \( \qquad r \, > \, 0 \)
För att hitta en övre gräns (största möjliga värde) för \( \; r \; \) tittar vi på cylinderns begränsningsarea:
- \[ \, A \, = \, 2\,\pi\,r\,h \, + 2\,\pi\,r^2 \, = \, 500 \]
Pga begränsningsareans konstanta värde \( \, 500 \, \) blir cylinderns radie störst när höjden blir \( \, 0 \, \).
Därför får vi radiens största värde \( \, r_{max} \, \) om vi i formeln ovan väljer \( \, h=0 \, \):
- \[ \, h = 0 \qquad \Longrightarrow \qquad A \, = \, 2\,\pi \cdot \left(r_{max}\right)\,^2 \, = \, 500 \qquad \Longrightarrow \qquad r_{max} \, = \, \sqrt{500 \over 2\,\pi} \, = \, 8,92 \]
Därmed blir målfunktionens definitionsmängd:
- \( 0 \; < \; r \; \leq \; 8,92 \)
Grafen till vänster visar bivillkoret och grafen till höger målfunktionen, båda som funktioner av \( \, r \, \) med definitionsmängden ovan:
Målfunktionens graf visar att volymen blir maximal för \( \, r = 5,15 \, \).
Bivillkorets graf visar att \( \, r \, \) inte kan bli större än \( \, 8,92 \, \), medan \( \, h \, \) kan växa obegränsat när \( \, r \, \) går mot \( \, 0 \, \).
e) Resultaten från c) sätter vi in i målfunktionen för att få cylinderns största volym:
- \[ V(5,15) \, = \, \pi \, \cdot 5,15^2 \, \cdot 10,30 \, = \, 858,23 \]
Konservburkens maximala volym blir \( \; 858,23 \, {\rm cm}^3 \; \).
f) Följande samband råder mellan cylinderns radie \( \; r = 5,15 \, {\rm cm} \; \) och dess höjd \( \; h = 10,30 \, {\rm cm}\)
när volymen till en cylinder med en begränsningsarea på \( \, 500 \, {\rm cm}^2 \, \), maximeras:
- \( 2 \; r \; = \; h \)
Återstår frågan som är föremål för undersökning i övning 9, om samma samband även råder generellt mellan radien \( \; r \; \) och höjden \( \; h \; \) för alla konservburkar med given begränsningsarea och maximal volym, nämligen:
- Diametern \( \; = \; \) Höjden
En annan intressant frågeställning är:
Råder även sambandet ovan om man utgår från en konservburk med fast given volym vars materialåtgång ska minimeras?
En närmare undersökning liknande lösningen till Exempel 3 kommer att visa att detta är fallet.
Dvs sambandet ovan är alltid optimalt ur ekonomisk synpunkt.
Ett ekonomiskt exempel
Se övning 7.
Copyright © 2011-2015 Math Online Sweden AB. All Rights Reserved.
