3.4 生活中的优化问题举例获奖说课稿

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§1.4生活中的优化问题举例（2课时）

教学目标：

1．

使利润最大、用料最省、效率最高等优化问题，体会导数在解决实际问题中的作用

2．

提高将实际问题转化为数学问题的能力

教学重点：利用导数解决生活中的一些优化问题．

教学难点：利用导数解决生活中的一些优化问题．

教学过程：

一．创设情景

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．通过前面的学习，我们知道，导数是求函数最大（小）值的有力工具．这一节，我们利用导数，解决一些生活中的优化问题．

二．新课讲授

导数在实际生活中的应用主要是解决有关函数最大值、最小值的实际问题，主要有以下几个方面：

1、与几何有关的最值问题；

2、与物理学有关的最值问题；

3、与利润及其成本有关的最值问题；

4、效率最值问题。

解决优化问题的方法：首先是需要分析问题中各个变量之间的关系，建立适当的函数关系，并确定函数的定义域，通过创造在闭区间内求函数取值的情境，即核心问题是建立适当的函数关系。再通过研究相应函数的性质，提出优化方案，使问题得以解决，在这个过程中，导数是一个有力的工具．

利用导数解决优化问题的基本思路：

优化问题

建立数学模型

用函数表示的数学问题

解决数学模型

优化问题的答案

作答

用导数解决数学问题

三．典例分析

例1．海报版面尺寸的设计

学校或班级举行活动，通常需要张贴海报进行宣传。现让你设计一张如图1.4-1所示的2竖向张贴的海报，要求版心面积为128dm,上、下两边各空2dm,左、右两边各空1dm。如何设计海报的尺寸，才能使四周空心面积最小？

128dm,此时四周空白面积为

x1285122)1282x8,x0。

S(x)(x4)(xx 解：设版心的高为xdm，则版心的宽为

求导数，得

S'(x)2512。

x2共9页

第1页

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5120，解得x16(x16舍去）。

x21281288。

于是宽为x16令S(x)2'当x(0,16)时，S'(x)<0；当x(16,)时，S'(x)>0. 因此，x16是函数S(x)的极小值，也是最小值点。所以，当版心高为16dm，宽为8dm时，能使四周空白面积最小。

答：当版心高为16dm，宽为8dm时，海报四周空白面积最小。

例2．饮料瓶大小对饮料公司利润的影响

（1）你是否注意过，市场上等量的小包装的物品一般比大包装的要贵些？

（2）是不是饮料瓶越大，饮料公司的利润越大？

【背景知识】：某制造商制造并出售球型瓶装的某种饮料．瓶子的制造成本是 0.8r2分，其中

r

是瓶子的半径，单位是厘米。已知每出售1 mL的饮料，制造商可获利 0.2 分,且制造商能制作的瓶子的最大半径为 6cm 问题：（１）瓶子的半径多大时，能使每瓶饮料的利润最大？

（２）瓶子的半径多大时，每瓶的利润最小？

解：由于瓶子的半径为r，所以每瓶饮料的利润是

4

yfr0.2r30.8r23r320.8r3r,0

62令fr0.8(r2r)0

解得

r2（r0舍去）

当r0,2时，fr0；当r2,6时，fr0．

当半径r2时，fr0它表示fr单调递增，即半径越大，利润越高；

当半径r2时，fr0

它表示fr单调递减，即半径越大，利润越低．

（1）半径为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，此时利润是负值．

（2）半径为6cm时，利润最大．

换一个角度：如果我们不用导数工具，直接从函数的图像上观察，会有什么发现？

有图像知：当r3时，f30，即瓶子的半径为3cm时，饮料的利润与饮料瓶的成本恰好相等；当r3时，利润才为正值．

当r0,2时，fr0，fr为减函数，其实际意义为：瓶子的半径小于2cm时，瓶子的半径越大，利润越小，半径为2cm

时，利润最小．

例3．磁盘的最大存储量问题

计算机把数据存储在磁盘上。磁盘是带有磁性介质的圆盘，并有操作系统将其格式化成共9页

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磁道和扇区。磁道是指不同半径所构成的同心轨道，扇区是指被同心角分割所成的扇形区域。磁道上的定长弧段可作为基本存储单元，根据其磁化与否可分别记录数据0或1，这个基本单元通常被称为比特（bit）。

为了保障磁盘的分辨率，磁道之间的宽度必需大于m，每比特所占用的磁道长度不得小于n。为了数据检索便利，磁盘格式化时要求所有磁道要具有相同的比特数。

问题：现有一张半径为R的磁盘，它的存储区是半径介于r与R之间的环形区域．

（1）

是不是r越小，磁盘的存储量越大？

（2）

r为多少时，磁盘具有最大存储量（最外面的磁道不存储任何信息）？

解：由题意知：存储量=磁道数×每磁道的比特数。

设存储区的半径介于r与R之间，由于磁道之间的宽度必需大于m，且最外面的磁道Rr。由于每条磁道上的比特数相同，为获得最大存m2r储量，最内一条磁道必须装满，即每条磁道上的比特数可达。所以，磁盘总存储量

nRr2r2r(Rr)

×f(r)mmnn （1）它是一个关于r的二次函数，从函数解析式上可以判断，不是r越小，磁盘的存储不存储任何信息，故磁道数最多可达量越大．

（2）为求f(r)的最大值，计算f(r)0．

f(r)2R2r

mn令f(r)0，解得rR

2当rRR时，f(r)0；当r时，f(r)0．

22R2R2因此r时，磁盘具有最大存储量。此时最大存储量为

2mn4例4．圆柱形金属饮料罐的容积一定时，它的高与底与半径应怎样选取，才能使所用的材料最省？

解：设圆柱的高为h，底半径为R，则表面积

2S=2πRh+2πR

V，则

2RV22V2S(R)= 2πR+ 2πR=+2πR

R2R2V令

s(R)2+4πR=0 R由V=πRh，得h2共9页

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解得，R=3VV，从而h==R22V4VV=3=23

V2(3)2即h=2R 因为S(R)只有一个极值，所以它是最小值

答：当罐的高与底直径相等时，所用材料最省

变式：当圆柱形金属饮料罐的表面积为定值S时，它的高与底面半径应怎样选取，才能使所用材料最省？

S2R2 提示：S=2Rh+2Rh=

2R211S2R2R2=(S2R2)RSRR3 V(R)=222RV'(R))=0S6R2

6R22Rh2R2h2R．

四．课堂练习

1．用总长为14.8m的钢条制作一个长方体容器的框架，如果所制作的容器的底面的一边比另一边长0.5m,那么高为多少时容器的容积最大？并求出它的最大容积．（高为1.2 m，最大容积1.8m3）

5．课本

练习课本P104

五．回顾总结

1．利用导数解决优化问题的基本思路：

建立数学模型

优化问题

用函数表示的数学问题

解决数学模型

优化问题的答案

作答

用导数解决数学问题

2．解决优化问题的方法：通过搜集大量的统计数据，建立与其相应的数学模型，再通过研究相应函数的性质，提出优化方案，使问题得到解决．在这个过程中，导数往往是一个有利的工具。

六．布置作业

课本P

104 5，6 共9页

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例4．汽油的使用效率何时最高 我们知道，汽油的消耗量w（单位：L）与汽车的速度v（单位：km/h）之间有一定的关系，汽油的消耗量w是汽车速度v的函数．根据你的生活经验，思考下面两个问题：

（1）是不是汽车的速度越快，汽车的消耗量越大？

（2）“汽油的使用率最高”的含义是什么？

分析：研究汽油的使用效率（单位：L/m）就是研究秋游消耗量与汽车行驶路程的比值．如果用G表示每千米平均的汽油消耗量，那么Gw，其中，w表示汽油消耗量（单位：L），s．这样，求“每千米路程的汽油消耗量最少”，就是求Gs表示汽油行驶的路程（单位：km）的最小值的问题．

通过大量的统计数据，并对数据进行分析、研究，人们发现，汽车在行驶过程中，汽油平均消耗率g（即每小时的汽油消耗量，单位：L/h）与汽车行驶的平均速度v（单位：km/h）之间有如图所示的函数关系gfv．

从图中不能直接解决汽油使用效率最高的问题．因此，我们首先需要将问题转化为汽油平均消耗率g（即每小时的汽油消耗量，单位：L/h）与汽车行驶的平均速度v（单位：km/h）之间关系的问题，然后利用图像中的数据信息，解决汽油使用效率最高的问题．

wwg

解：因为

Gt

svstgg这样，问题就转化为求的最小值．从图象上看，表示经过原点与曲线上点的直线的斜vv率．进一步发现，当直线与曲线相切时，其斜率最小．在此切点处速度约为90km/h．

因此，当汽车行驶距离一定时，要使汽油的使用效率最高，即每千米的汽油消耗量最小，此时的车速约为90km/h．从数值上看，每千米的耗油量就是图中切线的斜率，即f90，约为

L．

例5．在边长为60 cm的正方形铁片的四角切去相等的正方形，再把它的边沿虚线折起(如图)，做成一个无盖的方底箱子，箱底的边长是多少时，箱底的容积最大？最大容积是多少？

x x _

x_

60_

x共9页

第5页

_

60

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解法一：设箱底边长为xcm，则箱高h260xcm，得箱子容积

260x2x3V(x)xh (0x60)．

23x2V(x)60x (0x60)

23x2令

V(x)60x＝0，解得 x=0（舍去），x=40， 2并求得V(40)=16 000 由题意可知，当x过小（接近0）或过大（接近60）时，箱子容积很小，因此，16 000是最大值

答：当x=40cm时，箱子容积最大，最大容积是16 000cm

解法二：设箱高为xcm，则箱底长为(60-2x)cm，60-2x则得箱子容积

（后面同解法V(x)(602x)x(0x30)．一，略）

由题意可知，当x过小或过大时箱子容积很小，所以最大值出现在极值点处．

603x60-2x60-2x26060-2xx60x2x32事实上，可导函数V(x)xh、V(x)(602x)x在各自的定义域中22都只有一个极值点，从图象角度理解即只有一个波峰，是单峰的，因而这个极值点就是最值点，不必考虑端点的函数值

例6．在经济学中，生产x单位产品的成本称为成本函数同，记为C(x)，出售x单位产品的收益称为收益函数，记为R(x)，R(x)－C(x)称为利润函数，记为P(x)。

（1）、如果C(x)＝10x0.003x5x1000，那么生产多少单位产品时，边际632C(x)最低？(边际成本：生产规模增加一个单位时成本的增加量) （2）、如果C(x)=50x＋10000，产品的单价P＝100－0.01x，那么怎样定价，可使利润最大？

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变式：已知某商品生产成本C与产量q的函数关系式为C=100+4q，价格p与产量q的函数关系式为p251q．求产量q为何值时，利润L最大？

8分析：利润L等于收入R减去成本C，而收入R等于产量乘价格．由此可得出利润L与产量q的函数关系式，再用导数求最大利润．

解：收入Rqpq25q25qq2，

1818利润LRC25qq2(1004q)q221q100(0q100)

18181Lq21

41令L0，即q210，求得唯一的极值点q84

4答：产量为84时，利润L最大

例7．一条水渠，断面为等腰梯形，如图所示，在确定断面尺寸时，希望在断面ABCD的面积为定值S时，使得湿周l=AB+BC+CD最小，这样可使水流阻力小，渗透少，求此时的高h和下底边长b.

解：由梯形面积公式，得S=13

(AD+BC)h,其中AD=2DE+BC，DE=h,BC=b

23∴AD=123323h+b, ∴S=(h2b)h(hb)h

①

2333h22h,AB=CD.∴l=h×2+b

cos3033②

∵CD=由①得b=43S3SS3h,代入②,∴l=hh3h

3h3hh3SSSS=0,∴h=, 当h<时，l′<0,h>时，l′>0. 444h2333l′=3243S∴h=4时，l取最小值，此时b=S

33例8．已知矩形的两个顶点位于x轴上，另两个顶点位于抛物线y

＝4－x2在x轴上方的曲线上，求这种矩形中面积最大者的边长．

【解】设位于抛物线上的矩形的一个顶点为（x，y），且x

＞0，y

＞0，

则另一个在抛物线上的顶点为（－x，y），

在x轴上的两个顶点为（－x，0）、（x，0），其中0＜

x

＜2．

设矩形的面积为S，则S

＝2 x（4－x2），0＜

x

＜2．

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由S′（x）＝8－6 x2＝0，得x

＝x

＝23，易知

34是S在（0，2）上的极值点，

3283和．

33即是最大值点，

所以这种矩形中面积最大者的边长为【点评】

应用题求解，要正确写出目标函数并明确题意所给的变量制约条件．应用题的分析中如确定有最小值，且极小值唯一，即可确定极小值就是最小值．

练习：1：一书店预计一年内要销售某种书15万册，欲分几次订货，如果每次订货要付手续费30元，每千册书存放一年要耗库费40元，并假设该书均匀投放市场，问此书店分几次进货、每次进多少册，可使所付的手续费与库存费之和最少？

【解】假设每次进书x千册，手续费与库存费之和为y元，

由于该书均匀投放市场，则平均库存量为批量之半，即x，故有

2150x4500×30＋×40，y′＝－2＋20，

x2x9000令y′＝0，得x

＝15，且y″＝3，f″(15)＞0，

xy

＝所以当x

＝15时，y取得极小值，且极小值唯一，

故

当x

＝15时，y取得最小值，此时进货次数为150＝10（次）．

15即该书店分10次进货，每次进15000册书，所付手续费与库存费之和最少．

2：有甲、乙两城，甲城位于一直线形河岸，乙城离岸40千米，乙城到岸的垂足与甲城相距50千米，两城在此河边合设一水厂取水，从水厂到甲城和乙城的水管费用分别为每千米500元和700元，问水厂应设在河边的何处，才能使水管费用最省？

【解】设水厂D点与乙城到岸的垂足B点之间的距离为x千米，总费用为y元，

则CD

＝x2402．

y

＝500（50－x）＋700x21600

＝25000－500 x

＋700x21600，

12y′＝－500＋700 ·

(x

＋1600)2· 2 x

21＝－500＋700xx16002，

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令y′＝0，解得x

＝506．

3506千米时，总费用最省．

3答：水厂距甲距离为50－【点评】

当要求的最大（小）值的变量y与几个变量相关时，我们总是先设几个变量中的一个为x，然后再根据条件x来表示其他变量，并写出y的函数表达式f（x）．

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