8. Slovní úlohy na extrémy

Transkript

1 8. Slovní úlohy na extrémy Vtétokapitolenaznačíme,jakřešitněkteré praktické (většinougeometrické) úlohy související s extrémy funkcí jedné proměnné. Novým prvkem bude nutnost slovně zadanou úlohu nejdříve matematicky modelovat, tedy převést do matematickéřeči.teprvepaklzeproblémřešitbuďmetodamivyloženýmivkapitole7, nebo metodami zcela elementárními, které nejsou založeny na poznatcích diferenciálním počtu. Jako vždy bychom měli dát přednost jednoduššímu řešení. Připomeňme dvě jednoduchá, ale velmi užitečná tvrzení diferenciálního počtu: Věta8.1.Nechťfunkce f definovanávintervalu Iskrajnímibody a < bmá vbodě c (a,b)extrém 1 ).Pakjebuď f (c)=0,nebotatoderivaceneexistuje. Věta 8.2. Nechť funkce f spojitá v intervalu(a, b) splňuje tyto podmínky: 1. f(a+)=f(b ); 2.existujebod c (a,b)tak,že f 0všudev(a,c) (c,b). 2 ) Pak nastane právě jedna z těchto situací: A. f(c) > f(a+), frostev(a,c,klesáv c,b),avbodě cmámaximum; B. f(c) < f(a+), fklesáv(a,c,rostev c,b),avbodě cmáminimum. Příklad8.1.Existuje-limeziobdélníkyoobvodu4c R + obdélníksmaximálním obsahem 3 ),najdětedélkyjehostran. 4 ) Řešení: Jsou-li x, ydélkystranobdélníka,jejehoobvod2(x+y);protože totočíslomábýtrovno4c,musíbýt y=2c x.mámetedyrozřešitproblém,zdali máfunkce f(x):= x(2c x)maximum;zpovahyproblémuovšemplyne,ženejde omaximumvcelém R,alevintervalu I:=(0,2c) jindetotižneníbuď x,nebo ykladnéčíslo.v.7.3 nelzeužít,protože Ineníkompaktníinterval;hodísevšak V.8.2:Protože f(0+)=f(2c )=0,protože f (x)=2(c x) 0provšechna x Irůznáod caprotože f(c)=c 2 >0,jetatohodnotamaximální hodnotou funkce fv I. Problémmátedyprávějednořešení:Obdélníksdanýmobvodem4casmaximálním obsahem je čtverec o straně c. Dodejme, že obdélník s daným obvodem a minimálním obsahem zřejmě neexistuje. Příklad8.2.Z1m 3 betonumáme pokudjetomožné odlítconejvyššítěleso buď ve tvaru krychle, nebo koule, nebo koule postavené na krychli. 1 )tj.maximumnebominimum 2 )Všimněmesi,žesenepředpokládákonečnostžádnéhozčísel a, b, f(a+), f(b ).Je-livšak a R(resp. b R)aje-li fspojitávbodě azprava(resp.vbodě bzleva),lzelimitu f(a+)(resp. f(b ))nahradithodnotou f(a)(resp. f(b)).existencederivace f (c)senepředpokládá. 3 )Bylobyhruboulogickouchybouignorovatvpodobnýchpřípadechproblémexistence. 4 )Meziobdélníkypočítámeovšemičtverce,jinakbyúlohanemělařešení. 124

2 Řešení: Předpokládejme,žesetělesoskládázkrychleodélcehrany x azkouleopoloměru r.připustíme-li x=0ar=0,budouzahrnutyipřípady, žejednoztěchtotěleschybí,ajezřejmé,žesepakmámezabývatčísly x 0,1. Krychleohraně xmáobjem x 3,takžeprokoulizbýváobjem1 x 3 = 4 3 πr3.odtud plyne,žepoloměr racelkovávýška f(x)tělesajsoudányrovnostmi Derivace r= 3 3 4π (1 x3 ) resp. f(x)=x+2r=x+ 3 f (x)= π x 2 3 (1 x3 ) 2 6 π 3 1 x3. sev(0,1)anuluje,právěkdyž 3 (1 x 3 ) 2 = x 23 6/π,tj.právěkdyž 3 1 x 3 = x 6 6/π.Jaksnadnozjistíme,ječíslo π x 0 := 3. = π jediným řešením této rovnice; průměr příslušné koule je roven 6 2r 0 := 3 π(. 6+ =1.0348, π) cožvedekúhrnnévýšce x 0 +2r 0. =1.7836mtělesa Obrázek k příkladu 8.2 Protožejetotočíslovětšínež f(0)= 3 6/π. =1.24atakénež f(1)=1,je řešenímnašehoproblému:nakrychliohraně x 0 jetřebapostavitkouliopoloměru r 0.Zároveňjepatrné,žekdybynámšlooútvarsminimálnívýškou,odlilibychom krychliovýšce1. 125

3 Příklad 8.3. Dokažme, že na každé přímce v trojrozměrném eukleidovském prostoru R 3 ležíprávějedenbodnejbližšípočátku(0,0,0). Řešení:Předpokládejme,žepřímka Ljeurčenabodem(A,B,C)a(nenulovým)vektorem(u,v,w);toznamená,žepřímku Ltvoříprávěvšechnybodytvaru X(t)=(A+tu,B+tv,C+tw),kde t R.Mámerozřešitproblémexistenceprávě jednoho t, pro něž je vzdálenost bodů X(t) a(0, 0, 0) minimální. Protože vzdálenosti jsou nezáporná čísla, je to totéž jako rozřešit analogický problém pro čtverec této vzdálenosti, tj. pro funkci f(t):=(a+tu) 2 +(B+tv) 2 +(C+tw) 2. Nabývá-li fvněkterémbodě t 0 Rsvéhominima,jepodleV.8.1 f (t 0 )=2 ( u(a+t 0 u)+v(b+t 0 v)+w(c+t 0 w) ) =0. Tato podmínka je splněna, právě když je t 0 = Au+Bv+Cw u 2 +v 2 +w 2. AplikujmenyníV.8.2:Obělimityf(± )jsourovny+ at t 0 f (t) 0; vdůsledkutohomáfunkce fvbodě t 0 opravduminimum.mezivšemibody X(t) mátedyjediněbod X(t 0 )=(A,B,C) Au+Bv+Cw u 2 +v 2 +w 2 (u,v,w) nejmenší vzdálenost od počátku; snadno ověříme, že její čtverec je roven (A+t 0 u) 2 +(B+t 0 v) 2 +(C+t 0 w) 2 =(A 2 +B 2 +C 2 ) (Au+Bv+Cw)2 u 2 +v 2 +w 2. Poznamenejmeještě,žeskalárnísoučinvektorů X(t 0 )a(u,v,w)jeroven0.je-li (0,0,0) L,jecelýnášproblémtriviální;je-li(0,0,0) L,jepřímkaprocházející počátkemabodem X(t 0 )kolmákl(cožjedobřeznámozelementárnígeometrie). Příklad 8.4. Rozsáhlý les je z jihu ohraničen přímou cestou vedoucí od západu kvýchodu.zvýchozíhomístanatétocestěsemámedostatnamísto,kteréjeod násvzdáleno5kmvýchodněa2kmseverně.jistoudobupůjdemepocestěrychlostí 5kmzahodinu,pak(šikmo)lesemrychlostí3kmzahodinu.Jakdlouhomámejít po cestě, abychom se do cíle dostali co nejdříve? Kolik při tom ujdeme kilometrů ajakdlouhonámcestabudetrvat? Řešení: Ktomu,abychompocestěušli x( 0,5 )km,potřebujeme 1 5 x hodin;dalšícestalesembudepakměřit y:= 2 2 +(5 x) 2 = x 2 10x+29km aujdemejiza 1 3 yhodin.celkemtedybudecestatrvat f(x):= 1 5 x+1 3 x2 10x

4 hodin. Jak snadno zjistíme, je jediným kořenem derivace f (x)= 1 x x2 10x+29 číslo 7 2.Protože f( )= 15 = ,zatímco f(0)= =1.795, f(5)= 5 3 = ,jezřejmé,že fnabývávbodě 7 2 svéhominima.hodnotatohotominima je hodin,neboli1hodinaa32minut.pocestěpůjdeme3.5km(a42minut), lesem2.5km(a50minut);celkemtedyujdeme6km. Příklad 8.5. Dokažme, že mezi obdélníky, jejichž strany jsou rovnoběžné se souřadnicovými osami a které jsou vepsány do elipsy ( x a ) 2+ ( y b ) 2=1, kde a R +, b R +,existujeprávějedensmaximálnímobsahem. b -a 0 a -b Obrázek k příkladu 8.5 Řešení:Elipsajegeometrickýmobrazemkřivky 5 ) ϕ(t):=(acost, bsint), kde t π,π, avrcholyvepsanéhoobdélníkajsoubody ϕ(±α), ϕ(±(π α)),kde α (0, 1 2 π)je úhel, který svírá průvodič pravého horního vrcholu s kladným směrem osy x. Obsah f(t):=2acosα 2bsinα=2absin2α takovéhoobdélníkajezřejmě(sr.sv.8.2)maximálnípři α= 1 4 πarovnáse2ab. Obdobný obdélník s minimálním obsahem samozřejmě neexistuje. 5 )Křivkou sezderozumí(jakékoli)spojitézobrazení ω(jakéhokoli)kompaktníhointervalu I Rdoroviny R 2.Jejígeometrickýobrazjemnožina ω(i). 127

5 Cvičení Řešte následující slovní úlohy; u některých z nich vystačíte s elementárními metodami, nevyžadujícími znalost diferenciálního počtu Zobdélníkovéhoplechuovelikosti80cm 50cmsemápoodstřiženístejně velkých čtverců v rozích plechu vyrobit krabice bez víka. Jak velké čtverce je třeba odstřihnout, aby vzniklá krabice měla maximální objem, a jak velký bude tento objem? 50 cm 80 cm Obrázek ke cvičení Úkolemjevyrobitplechovékonzervyvetvaruválcesobjemem V ( R + ) tak,abybylyconejlehčí.najdětepříslušnýpoměrvýšky hválceapoloměru rjeho podstavy,atonejdříveproobecnýobjem V,pakpro V =1000cm Válcovénádobysobjemem20litrůsebudouvyrábětzdvojíhoplechu:na oběpodstavyválceseužijemateriáldvakrátdražšínežnajehoplášť.jaksemá zvolitpoměrvýšky hválceapoloměru rjehopodstav,abycenacelénádobybylaco nejmenší?stojí-li1m 2 materiáluužitéhonaplášť360kč,kolikbudestátmateriál na celou nádobu? C voda A D B Obrázek ke cvičení Přímývodníkanálje150mširoký.Místa AaBležícínajednomzbřehů majívzdálenost1km,místo Cjenadruhémbřehupřesněnaprotimístu B.ZA semádo Cvéstpotrubí,jehožprvní(přímý)úsekpovedezAdojistéhomísta D naspojnici ABajehoždruhý(taképřímý)úsekspojí Ds C.Položení1mpotrubí nabřehustojí800kč,přeskanáljecenadvojnásobná.jakdalekomábýt Dod A, aby cena celého potrubí byla co nejmenší? Jaká bude jeho délka zaokrouhlená na 128

6 decimetry a cena zaokrouhlená na celé koruny? Jaký úhel budou svírat úsečky DB a DC? 8.05.Hodlámekoupitobdélníkovouparceluorozloze200m 2,jejížjednastrana bude ohraničena již hotovou zdí, zatímco ze zbývajících tří stran bude nutné parcelu oplotit. Dokažte, že obdélník lze zvolit tak, aby plot měl minimální délku, a najděte délky příslušných stran. plot 200 m 2 plot plot Obrázek ke cvičení Dokažte, že do trojúhelníka, jehož nejdelší stranou je strana c, lze vepsat obdélník se základnou obsaženou v c a s maximálním obsahem; najděte vztah mezi obsahem trojúhelníka a vepsaného obdélníka. b v c a c Obrázek ke cvičení Existujemezitrojúhelníkyvepsanýmidokruhuodanémpoloměru r R +, jejichž jednou stranou je průměr kruhu, trojúhelník s maximálním obsahem resp. obvodem? Pokud ano, jaký bude tento obsah resp. obvod? 2r Obrázek ke cvičení

7 8.08. Dokažte, že mezi všemi(pravoúhlými) trojúhelníky T s vrcholem v počátku, jejichž odvěsny jsou částí souřadnicových os a jejichž přepona je částí tečny oblouku paraboly y= x 2 4x+3,0 x 1,existujeprávějedentrojúhelníksminimálním resp. maximálním obsahem. Zjistěte, ve kterých bodech se příslušné tečny dotýkají paraboly a najděte oba extrémní obsahy. 3 2 parabola 2 hyperbola 1 T 1 T Obrázky ke cvičením 8.08 a Mezi všemi(pravoúhlými) trojúhelníky T, které jsou ohraničeny osami souřadnicovýmiatečnouobloukuhyperboly y = 2/x 1,1 x 2,najděte trojúhelníky s extrémními obsahy a příslušné obsahy vypočtěte Meziobdélníky,jejichždvavrcholyležínaosexadalšídvanaparabole y=8 2x 2,najděteobdélníksmaximálnímobsahem.Určetetentoobsah. 8 B (2,4) A Obrázky ke cvičením 8.10 a Najdětekladnáčísla a,btak,abybody A:=(a,0), B:=(0,b), C:=(2,4) leželynajednépřímceaabyvzdálenostbodů AaBbylaminimální.Vypočtěte tuto vzdálenost Obdélníkováparcelaorozměrech5a bsemáoplotitapakještěploty kolmými na první stranu rozdělit na 5(shodných) parcel o rozměrech a b. Dokažte, žepřidanécelkovédélce cplotůlze aabzvolittak,žerozloha P =5abparcely 130

8 y x Obrázek ke cvičení 8.12 jemaximální.čísla a, bapříslušné Pnajdětenejdříveproobecné c R +,pakpro c=600m Drátdélky Dserozdělínadvěčástiodélkách D 1, D 2 ;prvníčástseohne tak, aby vytvořila kružnici, druhá tak, aby vytvořila obvod čtverce. Lze to provést tak, aby součet S obsahů vzniklého kruhu a čtverce byl minimální(maximální)? Pokudano,jakémupoměru D 1 : D 2 tobudeodpovídatobecněačemusebudou čísla D 1, D 2, Srovnatpro D=2m? Je některý bod paraboly, která leží v souřadnicové rovině xy trojrozměrného prostoru R 3 ajepopsánarovnicemi y=x 2, z=0,nejblížebodu A=(1,2,2) R 3? Pokud ano, jak velká je příslušná vzdálenost? 8.15.Body A, Bsepohybujívrovině R 2 tak,ževčase t Rmajípolohy a+tu, b+tv,kde a=(6,4), u=(2,4), b=(5,2), v=( 2,1).Dokažte,žeexistujeprávě jedno t R,proněžjevzdálenostbodů A, Bminimální;najdětejeavypočtěte příslušnou vzdálenost Vyřešteobdobnýproblémvprostoru R 3 zapředpokladu,že a=(1, 1, 3), u=( 1,1,2), b=( 2,3,2), v=(2, 2, 1) Dokažte,žeprokaždýbod(a,b),kde a 2 > b,existujíprávědvětečny parabolyy= x 2,odnichžmátentobodminimálnívzdálenost;najdětejejichrovnice apříslušnouvzdálenost,atonejdříveobecně,pakpro(a,b)=(2,3) Existujínaparabole y=x 2 6x+5bodysminimálnívzdálenostíodbodu B=(3,4)?Pokudano,kterétojsouavjakévzdálenostileží? A B C S U D Obrázek ke cvičení

9 8.19.Body A,Bsepohybujípoelipsáchtak,žejejichpolohavčase t Rje (2+2cos8t,sin8t)resp.(4cos2t,2sin2t).Najdětevšechnačísla t R,proněžje vzdálenost bodů A, B minimální resp. maximální Napřímésilnici Sodstartujevčase t=0zmísta Achodec Bacyklista C; obasebudoupohybovatodbodu Atýmžsměrem,atorychlostmi5kma15kmza hodinu.nakolmicikpřímce Svedenébodem Astojívevzdálenosti300modbodu ApozorovatelDaměřízornýúhel Uúsečky BC.Dokažte,ževjistém(jednoznačně určeném)okamžikut 0 >0budeúhel Umaximální,apopištevlastnostitrojúhelníka BCD v tomto okamžiku. Řešení cm h:r=2;při V =1000cm 3 je r=5 3 4/π. =5.42cm, h=20/ 3 2π. = cm h:r=4;materiálnacelounádobubudestát185kč Vzdálenost AD:( )m. =913.4m;délkaceléhopotrubí: m. =1086.6m;výlohy: Kč;úhel:60stupňů )20mstranapřiléhajícíkezdi,10mstranakníkolmá )Obsahobdélníkajerovenpoloviněobsahutrojúhelníka Voboupřípadechjeřešenímrovnoramennýtrojúhelník;máobsah r 2, obvod2( 2+1)r Jsoutotečnyvbodech1aa:= 1 3 (4 7). = ;příslušnéobsahy jsou1a 4 27 (7 7 10). = Obsahjeklesajícífunkcíproměnnéx 1,2,takžeřešenímjsoutečnyvbodech2(minimumrovné1)a1(maximumrovné 9 4 ) Základnadélky4/ 3. =2.3094,výška 16 3,obsah64/(3 3). = a=2(1+ 3 4). = , b=2(2+ 3 2). = ,vzdálenost = )Vobecnémpřípadějeřešenímdvojicečísel a=c/20, b=c/12,takže P= c 2 /48.Hodnotě c=600modpovídá a=30m, b=50m, P=7500m Minimumexistujeaodpovídápoměru D 1 /D 2 = π/4;při D=2mbude proto D 1 = 2π/(4+π)m. = 87.98cm, D 2 = 8/(4+π)m. = cmaS = 1/(4+π)m 2. = cm 2. Maximum neexistuje, musí-li se drát skutečně rozstřihnout; kdyby bylo dovoleno udělatzceléhodrátubuďkružnici,nebočtverec(cožbyodpovídalovolbě D 2 =0 resp. D 1 =0aopoměrubychomnemluvili),byloby Smaximálnípři D 2 =0. 6 )Problémlzeřešitelementárně,bezužitídiferenciálníhopočtu. 132

10 PříslušnýkruhbypakmělobsahD 2 /4πobecně,tedy1/πm 2. =3183cm 2 při D=2. Při D 1 =0bybylo S= D 2 /16,tedy S=2500cm 2 pro D=2m,cožvžádném případě není extrémní hodnota Nejbližšíbodje ( x 0, x 2 0,0),kde x 0 := 1 2 (1+ 3). = (takže x 2 0 = = ));příslušnávzdálenostjerovna(f(x0 )) 1/2,kde f(x):=(x 1) 2 +(x 2 2) 2 +4=x 4 3x 2 2x+9, takže(f(x 0 )) 1/2 = 1 2( 3(9 2 3) ) 1/2. = ) t= 2 5,minimálnívzdálenostje ) t= 4 3,minimálnívzdálenostje Přímkyorovnicích y=(a+c)(2x a c)ay=(a c)(2x a+c),kde c:=(a 2 b) 1/2,jsoujedinédvětečny,kteréprocházejíbodem(a,b),amajítedy odnějvzdálenost0.při(a,b)=(2,3)jsoutopřímky y=6x 9ay=2x A B Obrázky k řešením cvičení 8.17 a Na parabole leží právě dva body, které mají minimální vzdálenost od bodu B=(3,4).Jejichprvnísouřadnicejsou 1 2 (6 30). = a 1 2 (6+ 30). = ,jejichdruhésouřadniceserovnají 7 2.Hledanávzdálenostje d:= = ) )Přiřešenítohotopříkladunenívhodnéhledatstacionárníbodyvzdálenosti d(t)bodů A, B,protožejejichivintervalu 0,π)značnémnožství(10)aaž na dva nemají s extrémy funkce d(t) nic společného. Trajektoriebodů A, Bjsouelipsymajícíjedinýspolečnýbod a:=(4,0);mezi všemibodydruhéelipsymázřejměnejvětšívzdálenostodbodu abod b:=( 4,0). 7 )Kružniceostředu(3,4)apoloměru djedoparabolyvepsána;jejístředjeprůsečíkemnormál paraboly v uvedených bodech. 133

11 Stačí tedy rozřešit rovnice (cos8t=1) (cos2t=1) resp. (cos8t=1) (cos2t= 1). Řešení:Vzdálenostjeminimální,rovná0,právěkdyž t 0mod π,amaximální, rovná8,právěkdyž t 1 2πmod π. b a Obrázek k řešení cvičení t 0 = 3/50. = hodiny,tj.cca2minutya4.7sekundy. BCDje rovnoramennýtrojúhelníkozákladně CDdélky600maramenech BCa BDdélky 200 3m;úhlyuvrcholů B, C, Djsoupořaděrovny 2 3 π,1 6 π,1 6 π,takže U=1 6 π. 134