Построение целевой функции для минимального расхода материала: тематические карточки для 11 класса

11 класс · оптимизация · две конструкции, два вида расхода материала

Сравниваются два независимых способа изготовления ёмкости с квадратным основанием: открытая сверху и закрытая крышкой. В обоих случаях задаётся фиксированный объём V, сторона основания x>0, высота h=V/x². Нельзя путать минимизацию площади материала с максимизацией вместимости. При открытом верхе S=x²+4xh, при наличии крышки S=2x²+4xh. Здесь все размеры измеряются в дм, площадь — в дм², объём — в дм³.

Содержание статьи20 разделов

Вариант А. Открытый короб объёмом 32 дм³

Подстановка h=32/x² даёт SA(x)=x²+128/x при x>0. Производная S′=2x−128/x² обращается в нуль при x³=64, то есть x=4, h=2, S=48 дм². Это минимум, поскольку S уменьшается до x=4 и возрастает после неё.

Задание 1

Постройте целевую функцию только по условию «объём 32 дм³ и нет крышки».

Ответ и проверка. S(x)=x²+128/x, x>0; высота 32/x².

Задание 2

Найдите площадь материала, если сторона основания равна 2 дм.

Ответ и проверка. h=8 дм, S=4+64=68 дм².

Задание 3

Найдите расход материала при x=8 дм.

Ответ и проверка. h=0,5 дм, S=64+16=80 дм².

Задание 4

Ученик заменил 4xh на 2xh. В чём дефект модели?

Ответ и проверка. Не учтены две из четырёх боковых граней; верная площадь стенок 4xh.

Задание 5

Какое уравнение определяет критическую точку S(x)?

Ответ и проверка. 2x−128/x²=0, x³=64, x=4 дм.

Задание 6

Почему x=−4 нельзя считать подходящим решением?

Ответ и проверка. Длина стороны обязана быть положительной; x>0.

Задание 7

Найдите высоту ёмкости минимальной площади.

Ответ и проверка. h=32/4²=2 дм.

Задание 8

Проверьте результат x=4, h=2 по объёму и площади.

Ответ и проверка. V=4²·2=32 дм³; S=4²+4·4·2=48 дм².

Вариант Б. Закрытый контейнер объёмом 64 дм³

Другая конструкция требует и нижнюю, и верхнюю панели. Тогда SБ(x)=2x²+256/x, x>0; S′=4x−256/x². Стационарная точка: x³=64, то есть x=4, h=4. Минимальная площадь равна 96 дм². Хотя оптимальная сторона здесь тоже равна 4, высота и расход не совпадают с вариантом А.

Задание 9

Запишите целевую функцию для закрытой ёмкости объёмом 64 дм³.

Ответ и проверка. S(x)=2x²+256/x, x>0.

Задание 10

Определите площадь при x=2 дм.

Ответ и проверка. h=16 дм, S=2·4+256/2=136 дм².

Задание 11

Определите площадь при x=8 дм.

Ответ и проверка. h=1 дм, S=2·64+256/8=160 дм².

Задание 12

Ошибочное решение использует x²+256/x. Почему оно неверно?

Ответ и проверка. Потеряна крышка площадью x²; должно быть 2x²+256/x.

Задание 13

Найдите точку минимума по производной.

Ответ и проверка. S′(x)=4x−256/x²=0, x³=64, x=4 дм.

Задание 14

Найдите высоту оптимального закрытого контейнера.

Ответ и проверка. h=64/16=4 дм.

Задание 15

Вычислите минимальный расход материала и проверьте объём.

Ответ и проверка. S=2·16+4·4·4=96 дм², V=4·4·4=64 дм³.

Задание 16

Сравните расход при оптимальных проектах А и Б. Можно ли по этому сравнению судить о выгоде крышки?

Ответ и проверка. 48 и 96 дм², но объёмы разные (32 и 64 дм³), поэтому прямой вывод о цене крышки недоказателен.

Взаимная проверка решений

Критерий качества модели: каждую грань учитывают ровно один раз; площадь не складывают с объёмом; обе функции имеют единицы дм²; ограничения x>0 и h>0 обязательны. Ученики обмениваются моделями, сначала восстанавливают h по объёму, а затем проверяют указанную площадь прямой подстановкой. Для уверенного вывода о минимуме полезно показать, что при x→0+ и x→+∞ расход материала неограниченно возрастает.

Дополнительная проверка: зачем производная и как считать стенки

У открытой коробки при фиксированном объёме уменьшение x заставляет резко увеличивать высоту h=V/x². Поэтому при малом основании площадь стенок 4xh=4V/x становится очень большой. Если же увеличивать x без ограничения, быстро растёт площадь дна x². Между этими крайностями существует наиболее экономная конструкция. Формально S′′A(x)=2+256/x³>0 при x>0, а значит найденная единственная стационарная точка действительно даёт строгий минимум. Это подтверждает расчёт, а не заменяет проверку геометрии.

Для закрытого контейнера по мере уменьшения x также резко возрастает площадь стенок. При очень широком дне уже две горизонтальные грани дают 2x², из-за чего расход снова увеличивается. Здесь S′′Б(x)=4+512/x³>0 для x>0. Формулы второй производной позволяют подтвердить, что критическая точка не является максимумом. Различие между одной и двумя горизонтальными панелями принципиально: при одинаковой вместимости пропуск крышки занизит расход материала.

Проверка условий на практике: если высота ограничена сверху, равенство h=V/x² превращает это в нижнюю границу для x. Если установлено ограничение на площадь основания, то задаётся ещё одно неравенство для x². В реальной задаче такие дополнительные условия могут сместить минимум с внутренней критической точки на границу допустимого интервала. Изготовитель должен также уточнить толщину материала и припуски на соединения; здесь по условию они не учитываются, так как речь идёт об идеализированной геометрической модели.

Поделиться

Сохраните материал или отправьте тому, кому он пригодится.

Поставить оценку

Была ли статья полезной и понятной?

Пока нет оценок — будьте первым