btvn.vn

Tối ưu hình học và luyện tổng hợp

Lưu trên thiết bị này
Ứng dụng đạo hàm và đồ thị · Chọn bài khác

Giữ lại một biến

Trong bài hình học, thể tích hoặc chu vi thường cho quan hệ giữa các kích thước. Ta dùng quan hệ đó để viết đại lượng cần tối ưu theo một biến. Trước khi tính, hãy xác định vật có nắp hay không: điều này làm thay đổi diện tích vật liệu.

Ví dụ 1 — Hộp không nắp

Một hộp không nắp có đáy vuông và thể tích 32 dm³. Tìm cạnh đáy, chiều cao để diện tích vật liệu nhỏ nhất, bỏ qua độ dày và phần ghép.
Hộp không nắp đáy vuông cạnh x, chiều cao h; gồm một đáy và bốn mặt bên.
Thể tích $x^2h$; diện tích vật liệu $x^2+4xh$.
Mở hình lớn
Gọi cạnh đáy x>0 dm, chiều cao h>0 dm. Từ x²h=32, suy ra h=32/x². Hộp gồm một đáy và bốn mặt bên, nên: $$S=x^2+4xh=x^2+128/x.$$ $$S'(x)=2x-128/x^2=\frac{2(x^3-64)}{x^2}.$$ Vì mẫu dương, đạo hàm âm khi 0<x<4, dương khi x>4. S giảm rồi tăng trên toàn miền dương, nên nhỏ nhất tại x=4. Khi đó h=2, S=16+32=48 dm². Kết luận: cạnh đáy 4 dm, chiều cao 2 dm. Nếu thêm diện tích một nắp, ta đã đổi bài toán.

Thử: diện tích nào đúng?

Hộp đáy vuông cạnh x, cao h, có cả đáy và nắp. Diện tích toàn phần là gì?
Chọn một đáp án

Ví dụ 2 — Hộp trụ kín có thể tích cố định

Một hộp hình trụ kín có thể tích 250π cm³. Tìm bán kính r và chiều cao h để diện tích vật liệu nhỏ nhất, coi vật liệu trên mọi mặt có cùng chi phí theo diện tích.
Hình trụ kín, hai đáy tròn bán kính r, chiều cao h.
Hai đáy tròn và mặt xung quanh đều được tính.
Mở hình lớn
V=πr²h=250π, nên h=250/r², r>0. Diện tích gồm hai đáy tròn và mặt xung quanh: $$S(r)=2\pi r^2+2\pi rh=2\pi r^2+500\pi/r.$$ $$S'(r)=4\pi r-500\pi/r^2=\frac{4\pi(r^3-125)}{r^2}.$$ Đạo hàm đổi âm sang dương tại r=5. Vậy diện tích nhỏ nhất khi r=5 cm, h=10 cm, S=150π cm². Ở bài trụ kín này h bằng đường kính 2r tại phương án tối ưu. Không học thuộc quan hệ đó để áp cho hộp không nắp hoặc vật liệu hai đáy có giá khác mặt bên.

Thử: đổi thể tích trụ

Trụ kín có thể tích 54π cm³, điều kiện chi phí như ví dụ 2. Tìm kích thước tối ưu.
Chọn một đáp án

Kết quả gần đúng và điều kiện thực tế

Giữ biểu thức chính xác đến bước cuối rồi mới làm tròn theo yêu cầu. Ví dụ căn bậc ba có thể giữ dạng căn khi thay lại vào chiều cao; làm tròn bán kính quá sớm sẽ làm chiều cao và thể tích lệch theo. Nếu đề giới hạn kích thước hoặc chỉ cho các mức nguyên, kiểm lại miền và so sánh những phương án hợp lệ. Khi đề chỉ yêu cầu làm tròn số đo liên tục, không tự biến bài thành tối ưu kích thước nguyên.

Bài luyện 1

Hộp không nắp đáy vuông có thể tích 108 dm³. Tìm kích thước cho diện tích nhỏ nhất.
Chọn một đáp án

Bài luyện 2

Hộp không nắp ở ví dụ 1 bị giới hạn cạnh đáy 1≤x≤3 dm. Chọn x,h nào?
Chọn một đáp án

Bài luyện 3

Đã tìm được x₀ làm đạo hàm bằng 0 trong một bài tối ưu. Nêu những việc cần kiểm trước khi kết luận phương án đó tốt nhất.
Chọn một đáp án

Hoàn thành phần học của chương

Đã nối được dấu đạo hàm, cực trị, GTLN–GTNN, tiệm cận, khảo sát và ứng dụng. Khi gặp câu mới, xác định dạng và phần kiến thức cần dùng trước; nếu vướng, quay lại đúng cụm thay vì đọc lại cả chương. Luyện tiếp trong “Ứng dụng đạo hàm và đồ thị”, chọn nhóm “Bài toán tối ưu thực tiễn”. Bắt đầu bằng bài một biến với quan hệ rõ như các ví dụ trên, rồi mới sang câu kết hợp hình học hoặc tham số khó hơn. Phần học này trình bày các kiến thức và phương pháp của chương; khả năng làm vững cần thêm các lượt luyện với dữ kiện mới.

Đang học