Вершина параболы в задаче на оптимум
Если целевая функция квадратичная, производная не нужна: наибольшее или наименьшее значение даёт вершина параболы. Это верно, только если вершина лежит в области задачи; иначе функция на области монотонна, и ответ — на ближайшем к вершине конце. Часто функция становится квадратичной после замены, например , или под корнем, как квадрат расстояния.
Вершина — оптимум, если она в области
У функции вершина параболы — (вершина параболы). При в ней наибольшее значение функции (наибольшая прибыль), при — наименьшее.
- Приведите целевую функцию к виду . Если она квадратичная только в новой переменной, сделайте замену и найдите, какие значения эта переменная принимает.
- Найдите вершину и проверьте, что она лежит в области.
- Вершина в области — оптимум равен . Вершина вне области — оптимум на ближайшем к ней конце.
- После замены вернитесь к исходной переменной: найдите момент или размер, при котором новая переменная равна .
Обоснование без производной
Квадратичная функция с возрастает на и убывает на , с — наоборот. Это свойство параболы из учебника, поэтому в решении достаточно написать знак , вершину и то, что она лежит в области. Другая запись того же — выделение полного квадрата (полный квадрат).
Если функция записана произведением , раскрывать скобки не нужно: вершина лежит посередине между нулями, .
Пример
Биологи установили, что за год биомасса промысловой рыбы (в тысячах тонн) даёт прирост тысяч тонн, где . Если ежегодно вылавливать ровно годовой прирост, биомасса остаётся неизменной, а такой вылов называют устойчивым. При какой биомассе устойчивый годовой вылов наибольший и чему он равен? Обоснуйте ответ.
- 1.Устойчивый вылов равен приросту: , .
- 2.Старший коэффициент : ветви вниз. Нули 0 и 2000, вершина лежит на .
- 3. возрастает на и убывает на , поэтому — наибольшее значение: .
Ответ: при 1000 тыс. тонн; 300 тыс. тонн в год
Квадратичная функция после замены
Выражение квадратично относительно , потому что . После замены найдите вершину по . Вершина подходит, только если такое получается из области: при показатель , поэтому пробегает : степень положительна и не больше (значения новой переменной, границы замены).
Последний шаг — вернуться к времени: решить уравнение (показательное уравнение). Так же решают задачу, где квадратична величина , а спрашивают момент: вершина по , затем из (скорость образования фермента).
Пример
В медицинском генераторе радионуклидов активность дочернего изотопа (в МБк) меняется со временем по закону , где — время в часах. Найдите наибольшую активность препарата и момент времени, когда она достигается. Ответ обоснуйте.
- 1.Пусть . Тогда и . При число принимает все значения из .
- 2., вершина , и . Значит, наибольшее значение — при : .
- 3., поэтому , .
Ответ: 10 МБк через 6 ч
Наименьшее расстояние: квадрат под корнем
Расстояние между движущимися телами наименьшее там же, где наименьший его квадрат (квадрат расстояния). Если координаты линейны по , то — квадратичная функция с , и её наименьшее значение — в вершине.
Пример
Два самолёта летят на одной высоте по взаимно перпендикулярным прямолинейным курсам. В начальный момент первый самолёт находится в 400 км от точки пересечения курсов и приближается к ней со скоростью 300 км/ч, а второй находится в 300 км от той же точки и приближается к ней со скоростью 400 км/ч. Оба самолёта не меняют курс и скорость. Найдите наименьшее расстояние между самолётами и момент времени, в который оно достигается. Обоснуйте ответ.
- 1.Начало координат — точка пересечения курсов. Через ч, , самолёты в точках и .
- 2..
- 3., вершина , и . На функция убывает, на возрастает.
- 4., .
Ответ: 140 км через 0,96 ч
Вершина вне области
Если вершина не лежит в области, то на всей области функция только возрастает или только убывает. Тогда оптимум — на конце области, ближайшем к вершине. Значение в вершине в ответ не идёт: такой объём или такой момент невозможен.
Пример
Завод выпускает тонн продукции в месяц, причём . Месячная прибыль равна тыс. рублей. Найдите наибольшую прибыль. Ответ обоснуйте.
- 1., вершина .
- 2. не лежит на отрезке . Парабола возрастает на , поэтому на прибыль возрастает.
- 3.Наибольшее значение — на правом конце: .
Ответ: 8600 тыс. рублей
Второй оптимум — на конце
На отрезке у квадратичной функции есть оба оптимума. При ветвях вниз наибольшее значение — в вершине (если она на отрезке), а наименьшее — на конце, дальнем от вершины. При ветвях вверх наоборот.
Вершина и область
Проверьте себя
00