内容正文:
6.3 利用导数解决实际问题
课程标准
素养解读
1.理解实际生活中的最优化问题.
2.会利用导数解决实际生活中的最优化问题.
在利用导数解决生活中优化问题的过程中提升数学建模、逻辑推理、数学运算的核心素养.
[知识梳理]
[知识点一] 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.
[知识点二] 用导数解决优化问题的基本思路
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:长度、宽度应大于0,销售价为正数等.
平面几何中的最值问题
[例1] 请你设计一个包装盒,如图所示,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).
(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.
关于平面图形中的最值问题
平面图形中的最值问题一般涉及线段、三角形、四边形等图形,主要研究与面积相关的最值问题,一般将面积用变量表示出来后求导,求出极值,从而求得最值.
[变式训练]
1.如图,有一块半椭圆形钢板,其长半轴长为2,短半轴长为1,计划将此钢板切割成等腰梯形的形状,下底AB是半椭圆的短轴,上底CD的端点在椭圆上,记|CD|=2x,梯形的面积为S.
(1)求面积S以x为自变量的函数解析式,并写出其定义域.
(2)求面积S的最大值.
解:(1)依题意,以AB的中点O为原点,AB所在的直线为x轴,建立平面直角坐标系,如图所示,
则点C(x, y)满足方程x2+=1,且x>0,y>0,所以y=2(0<x<1).
所以S=×(2x+2)×2=2(x+1)(0<x<1).
(2)令f(x)=S2=4(x+1)2(1-x2)(0<x<1),
则f′(x)=8(x+1)2(1-2x).令f′(x)=0,解得x=或x=-1(舍去).
当0<x<时,f′(x)>0,f(x)为增函数;当<x<1时,f′(x)<0,f(x)为减函数.
所以f()是f(x)在区间(0,1)上的极大值,也是最大值,且f()=,此时S=.
故当x=时,S取得最大值.
用料最省、成本(费用)最低问题
[例2] 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.
[思路点拨] (1)由C(0)=8可求k的值从而求出f(x)的表达式.(2)求函数式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0<x<5时,f′(x)<0,
当5<x<10时,f′(x)>0,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.
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.
[变式训练]
2.一艘轮船在航行时的燃料费和它的速度的立方成正比,已知速度为每小时10千米时的燃料费是每小时6元,而其他与速度无关的费用是每小时96元,问此轮船以何种速度航行时,能使行驶每千米的费用总和最小?
解:设轮船速度为x(x>0)千米/时的燃料费用为Q元,则Q=kx3,由6=k×103,可得k=.所以Q=x3.
所以总费用y=·=x2+.y′=-,令y′=0,得x=20.
所以当x∈(0,20)时,y′<0,此时函数单调递减,当x∈(20,+∞)时,y′>0,此时函数单调递增.所以当x=20时,y取得最小值.
所以此轮船以20千米/时的速度行驶每千米的费用总和最小.
利润最大、效率最高问题
[例3] 某商场销售某种商品的经验表明,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)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.
[思路点拨] (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),令f′(x)=0,x=4或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)
6
f′(x)
+
0
-
0
f(x)
↗
极大值42
↘
极大值
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.
∴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.
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.
[变式训练]
3.某商品每件成本9元,售价30元,每星期卖出432件.如果降低价格,销售量可以增加,且每星期多卖出的商品件数与商品单价的降低额x(单位:元,0≤x≤21)的平方成正比.已知商品单价降低2元时,每星期多卖出24件.
(1)将一个星期的商品销售利润表示成x的函数;
(2)如何定价才能使一个星期的商品销售利润最大?
解:(1)设商品降价x元,则多卖的商品数为kx2,若记商品在一个星期的获利为f(x),
则有f(x)=(30-x-9)(432+kx2)=(21-x)(432+kx2).
又由已知条件,24=k×22,于是有k=6,
所以f(x)=-6x3+126x2-432x+9 072,x∈[0,21].
(2)根据(1),f′(x)=-18x2+252x-432=-18(x-2)(x-12).令f′(x)=0,得x=2或x=12.
当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
x
[0,2)
2
(2,12)
12
(12,21]
f′(x)
-
0
+
0
-
f(x)
递减
极小值
递增
极大值
递减
故当x=12时,f(x)取得极大值.因为f(0)=9 072,f(12)=11 664,
所以定价为30-12=18元能使一个星期的商品销售利润最大.
[当堂达标]
1.把一段长为12 cm的细铁丝锯成两段,各自围成一个正三角形,那么这两个三角形面积之和的最小值是( )
A. cm2 B.4 cm2
C.3 cm2 D.2 cm2
解析:D [设一段长为x,则另一段长为12-x(0<x<12).则S(x)=×2×+×2×=,所以S′(x)=.令S′(x)=0,得x=6,当x∈(0,6)时,S′(x)<0;当x∈(6,12)时,S′(x)>0.所以当x=6时,S(x)最小.所以S(x)min=S(6)=2 cm2.]
2.若商品的年利润y(万元)与年产量x(百万件)的函数关系式为y=-x3+27x+123(x>0),则获得最大利润时的年产量为 ________ 百万件.
解析:y′=-3x2+27=-3(x+3)(x-3),
当0<x<3时,y′>0;当x>3时,y′<0.
故当x=3时,该商品的年利润最大.
答案:3
3.电动自行车的耗电量y与速度x之间的关系为y=x3-x2-40x(x>0),为使耗电量最小,则其速度应定为 ________ .
解析:由题设知y′=x2-39x-40,令y′>0,解得x>40或x<-1,故函数y=x3-x2-40x(x>0)在[40,+∞)上递增,在(0,40]上递减.∴当x=40时,y取得最小值.由此得为使耗电量最小,则其速度应定为40.
答案:40
4.用长为18 m的钢条围成一个长方体形状的框架,要求长方体的长与宽之比为2∶1,问该长方体的长、宽、高各为多少时,其体积最大?最大体积是多少?
[解] 设长方体的宽为x m,则长为2x m,
高为h==(4.5-3x)(0<x<).故长方体的体积为V(x)=2x2(4.5-3x)=9x2-6x3.
从而V′(x)=18x-18x2=18x(1-x).令V′(x)=0,解得x=0(舍去)或x=1,
当0<x<1时,V′(x)>0;
当1<x<时,V′(x)<0,故在x=1处V(x)取得极大值,并且这个极大值就是V(x)的最大值.
从而最大体积V=V(1)=9×12-6×13=3(m3),此时长方体的长为2 m,高为1.5 m.故当长方体的长为2 m,宽为1 m,高为1.5 m时,体积最大,最大体积为3 m3.
[基础达标练]
1.将8分为两个非负数之和,使两个非负数的立方和最小,则应分为( )
A.2和6 B.4和4
C.3和5 D.以上都不对
解析:B [设一个数为x,则另一个数为8-x,则其立方和y=x3+(8-x)3=83-192x+24x2(0≤x≤8),y′=48x-192.令y′=0,即48x-192=0,解得x=4.当0≤x<4时,y′<0;当4<x≤8时,y′>0.所以当x=4时,y最小.]
2.某箱子的容积与底面边长x的关系为V(x)=x2·(0<x<60),则当箱子的容积最大时,箱子底面边长为( )
A.30 B.40 C.50 D.以上都不对
解析:B [V(x)=-x3+30x2,∴V′(x)=-x2+60x=-x(x-40),∴当0<x<40时,V′(x)>0.当40<x<60时,V′(x)<0,∴V(x)在(0,40)单调递增,在(40,60)单调递减,∴x=40是V(x)的极大值点,也是最大值点.]
3.某工厂要围建一个面积为512平方米的矩形堆料场,一边可以利用原有的墙壁,其他三边需要砌新的墙壁,若使砌壁所用的材料最省,堆料场的长和宽应分别为(单位:米)( )
A.32,16 B.30,15
C.40,20 D.36,18
解析:A [要使材料最省,则要求新砌的墙壁的总长最短,设场地宽为x米,则长为米,因此新墙总长L=2x+(x>0),则L′=2-.令L′=0,得x=16或x=-16(舍去).此时长为=32(米),可使L最短.]
4.某公司生产某种产品,固定成本为20 000元,每生产一单位产品,成本增加100元,已知总营业收入R与年产量x的关系是R(x)=则总利润最大时,每年生产的产品是( )
A.100 B.150
C.200 D.300
解析:D [由题意,得总成本函数为C(x)=20 000+100x,总利润P(x)=R(x)-C(x)=
所以P′(x)=
令P′(x)=0,得x=300,易知x=300时,总利润P(x)最大.]
5.(多选)如图所示,外层是类似于“甜筒冰淇淋”的图形,上部分是体积为10的半球,下面大圆刚好与高度为6的圆锥的底面圆重合,在该封闭的几何体内倒放一个小圆锥,小圆锥底面平行于外层圆锥的底面,且小圆锥顶点与外层圆锥顶点重合,则该小圆锥体积可以为( )
A.10 π B.18π
C.30π D.40π
解析:ABC [令上部分的半球半径为R,可得πR3=10π,解得R=,设小圆锥的底面半径为r,小圆锥底面中心到球心距离为h,可知r,h和R可构成直角三角形,即r2+h2=15,小圆锥体积V=πr2(h+6)=π(15-h2)(h+6)(0<h<).
令f(h)=(15-h2)(h+6)(0<h<),则f′(h)=-3(h+5)·(h-1),可知f(h)在(0,1)上单调递增,在(1,)上单调递减,所以当h=1时,f(h)最大,f(h)max=f(1)=98,即Vmax=π,即ABC三个选项都满足题意,故选ABC.]
6.某产品的销售收入y1(万元)是产量x(千台)的函数:y1=17x2(x>0),生产成本y2(万元)是产量x(千台)的函数:y2=2x3-x2(x>0),为使利润最大,应生产 ________ 千台.
解析:设利润为y,则y=y1-y2=17x2-(2x3-x2)=-2x3+18x2(x>0),∴y′=-6x2+36x=-6x(x-6).令y′=0,解得x=0或x=6,经检验知x=6既是函数的极大值点又是函数的最大值点.
答案:6
7.要设计一个容积为π的下端为圆柱形、上端为半球形的密闭储油罐,已知圆柱侧面的单位面积造价是下底面积的单位面积造价的一半,而顶部半球面的单位面积造价又是圆柱侧面的单位面积造价的一半,储油罐的下部圆柱的底面半径R= ______ 时,造价最低.
解析:设圆柱的高为h,圆柱底面单位面积造价为1,总造价为y,因为储油罐容积为π,所以πR2h+πR3·=π,整理得:h=>0,
所以y=πR2+2πRh+4πR2=π(R2+),令u=R2+,则u′=R-,
当u′>0得:3>R>,当u′<0得0<R<,
所以当R=时,u取最大值,即y取得最大值.
答案:.
8.某地建一座桥,两端的桥墩已建好,这两墩相距m米,余下工程只需建两端桥墩之间的桥面和桥墩.经测算,一个桥墩的工程费用为256万元,距离为x米的相邻两墩之间的桥面工程费用为(2+)x万元.假设桥墩等距离分布,所有桥墩都视为点,且不考虑其他因素.记余下工程的费用为y万元.
(1)试写出y关于x的函数关系式;
(2)当m=640米时,需新建多少个桥墩才能使y最小?
解:(1)设需要新建n个桥墩,(n+1)x=m,即n=-1.所以y=f(x)=256n+(n+1)(2+)x=256+(2+)m=+m+2m-256,0<x≤m.
(2)由(1)知,f′(x)=-+mx-=(x-512).
令f′(x)=0,得x=512,所以x=64.
当0<x<64时,f′(x)<0,故f(x)在区间(0,64)上为减函数;
当64<x<640时,f′(x)>0,故f(x)在区间(64,640)上为增函数.
所以f(x)在x=64处取得最小值,此时,n=-1=-1=9.
故需新建9个桥墩才能使y最小.
9.如果圆柱轴截面的周长l为定值,则体积的最大值为( )
A.3π B.3π
C.3π D.3π
解析:A [设圆柱的底面半径为r,高为h,体积为V,则4r+2h=l,
∴h=,V=πr2h=πr2-2πr3.
则V′=lπr-6πr2,令V′=0,得r=0或r=,而r>0,
∴r=是其唯一的极值点.
∴当r=时,V取得最大值,最大值为3π.]
10.(多选)北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,可在全球范围内为各类用户提供全天候、全天时、高精度、高定位、导航、授时服务,2020年7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,北斗导航能实现“天地互通”的关键是信号处理,其中某语言通讯的传递可以用函数f(x)=cosx++近似模拟其信号,则下列结论中正确的是( )
A.函数f(x)的最小正周期为π
B.函数f(x)的图象关于点对称
C.对任意x∈R,都有f′(π-x)=f′(x)
D.函数f′(x)的最小值为-3
解析:BCD [A.因为y=cos x,y=,y=的周期分别是2π,,,其最小公倍数为2π,所以函数函数f(x)的最小正周期为2π,故A错误;B.因为f(-)=cos(-)++=0,故B正确;C.f′(x)=-sin x-sin 5x-sin 9x=f′(π-x) ,故C正确;D.f′=-sin -sin -sin=-3 ,故D正确,故选BCD.]
11.用总长14.8 m的钢条制作一个长方体容器的框架,如果所制作容器的底面的一边比另一边长0.5 m,那么高为 ________ 时容器的容积最大.
解析:设容器底面短边长为x m,则另一边长为(x+0.5)m,高为[14.8-4x-4(x+0.5)]
=(3.2-2x)m.由3.2-2x>0及x>0,得0<x<1.6.设容器容积为y,则有y=x(x+0.5)(3.2-2x)=-2x3+2.2x2+1.6x(0<x<1.6),y′=-6x2+4.4x+1.6.由y′=0及0<x<1.6,解得x=1.在定义域(0,1.6)内,只有x=1使y′=0.由题意,若x过小(接近于0)或过大(接近于1.6),y的值都很小(接近于0).因此当x=1时,y取最大值,且ymax=-2+2.2+1.6=1.8(m3),这时高为1.2 m.
答案:1.2 m
12.某商店经销一种商品,每件产品的成本为30元,并且每卖出一件产品需向税务部门上交a元(a为常数,2≤a≤5)的税收.设每件产品的售价为x元(35≤x≤41),根据市场调查,日销售量与ex(e为自然对数的底数)成反比例.已知每件产品的日售价为40元时,日销售量为10件.
(1)求该商店的日利润L(x)元与每件产品的日售价x元的函数关系式;
(2)当每件产品的日售价为多少元时,该商品的日利润L(x)最大,并求出L(x)的最大值.
解:(1)设日销售量为,则=10,∴k=10e40,则日售量为件.
则日利润L(x)=(x-30-a)=10e40×;
所以该商店的日利润L(x)元与每件产品的日售价x元的函数关系式为L(x)=10e40.
(2)L′(x)=10e40.
①当2≤a≤4时,33≤a+31≤35,
当35<x<41时,L′(x)<0.∴当x=35时,L(x)取最大值为10(5-a)e5;
②当4<a≤5时,35≤a+31≤36,
令L′(x)=0,得x=a+31,易知当x=a+31时,L(x)取最大值为10e9-a.
综合上得L(x)max=.
所以当2≤a≤4时,当每件产品的日售价35元时,为L(x)取最大值为10(5-a)e5;当4<a≤5时,每件产品的日售价为a+31元时,该商品的日利润 L(x)最大,最大值为10e9-a.
[素养培优练]
13.如图所示,有甲、乙两个工厂,甲厂位于一直线海岸的岸边A处,乙厂与甲厂在海岸的同侧,乙厂位于离海岸40 km的B处,乙厂到海岸的垂足D与A相距50 km.两厂要在此岸边A,D之间合建一个供水站C,从供水站到甲厂和乙厂的水管费用分别为每千米3a元和5a元,则供水站C建在何处才能使水管费用最省?
解: 设C点距D点x km,则AC=(50-x)km,
所以BC==(km).
又设总的水管费用为y元,
依题意,得y=3a(50-x)+5a(0<x<50).
y′=-3a+.
令y′=0,解得x=30.
在(0,50)上,y只有一个极小值点,根据问题的实际意义,函数在x=30 km处取得最小值,此时AC=50-x=20(km).
故供水站建在A,D之间距甲厂20 km处,可使水管费用最省.
14.某制造商制造并出售球形瓶装的某种饮料,瓶子的制造成本是0.8πr2分,其r(单位:cm)中是瓶子的半径,已知每出售1mL的饮料制造商可获得0.2分,且制造商能制作的瓶子的最大半径是6cm.
(1)瓶子半径多大时,能使每瓶饮料的利润最大?
(2)瓶子半径多大时,每瓶饮料的利润最小?
解:由题意可知,每瓶饮料的利润是y=f(r)=0.2×πr3-0.8πr2=0.8π(-r2),0<a≤6.
所以f′(r)=0.8π(r2-2r)
令f′(r)=0,解得r=2.
当x∈(0.2)时,f′(r)<0;当x∈(2.6)时,f′(r)>0.
因此,当半径r>2时,f′(r)>0,
f(r)单调递增,即半径越大,利润越高;当半径r<2时,f′(r)<0,f(r)单调递减,即半径越大,利润越低.
(1)半径为6cm时,利润最大
(2)半径2cm时,利润最小,这时f(2)<0,表示此种瓶内饮料的利润还不够瓶子的成本,此时利润时负值.
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