前言

实际应用问题是学生比较害怕的问题类型之一,更不用说实际应用问题中的最值了,主要是体会其中的函数建模过程。

典例剖析

【2019届高三理科数学三轮模拟试题】某莲藕种植塘每年的固定成本是\(1\)万元,每年最大规模的种植量是\(8\)万斤, 每种植一斤藕,成本增加\(0.5\)元,如果销售额函数是\(f(x)=-\cfrac{1}{8}x^3+\cfrac{9}{16}ax^2+\cfrac{1}{2}x\),(\(x\)是莲藕种植量,单位:万斤;销售额的单位:万元,\(a\)是常数),若种植\(2\)万斤,利润是\(2.5\)万元,则要使利润最大,每年需要种植莲藕【\(\quad\)】万斤。

$A.8$ $B.6$ $C.3$ $D.5$

分析:注意理解题目的意思,“每年最大规模的种植量是\(8\)万斤”,意思是说定义域为\(0<x<8\),“若种植\(2\)万斤,利润是\(2.5\)万元”,意思是为了让我们求出\(a\)值,

由题可知,利润函数\(y=f(x)-1-\cfrac{1}{2}x=-\cfrac{1}{8}x^3+\cfrac{9}{16}ax^2-1\),其中\(0<x<8\)

\(x=2\)时,\(y=-1+\cfrac{9}{4}a-1=2.5\),解得\(a=2\)

综上所述,利润\(y=-\cfrac{1}{8}x^3+\cfrac{9}{8}x^2-1\)\(0<x<8\)

\(y'=-\cfrac{3}{8}x^2+\cfrac{9}{4}x=-\cfrac{3}{8}(x^2-6x)=-\cfrac{3}{8}x(x-6)\)

则当\(x\in (0,6)\)时,\(y'>0\),函数单调递增,当\(x\in (6,8)\)时,\(y'<0\),函数单调递减,

故当\(x=6\)时,利润最大,故选\(B\)

【求解分段函数的最值,应用问题】某工厂某种产品的年固定成本为250万元,每生产\(x\)千件该产品需要另外投入的生产成本为\(G(x)\)(单位:万元),当年产量不足\(80\)千件时,\(G(x)=\cfrac{1}{3}x^2+10x\);当年产量不小于\(80\)千件时,\(G(x)=51x+\cfrac{10000}{x}-1450\);已知每件产品的售价为\(0.05\)万元。通过市场分析,该工厂生产的产品能全部售完,则该工厂在这一产品的生产中所获年利润的最大值是多少?

分析:本题目的实质是求解分段函数的最大值,但是还有几个难点:其一单位的统一,其二根据常识列出年利润的分段函数,其三在每一段上求最大值,最后比较得到函数在整个定义域上的最大值。其中“利润=销售量\(\times\)价格-生产成本-固定成本”

解析:由题目得到生产成本为\(G(x)=\begin{cases} \cfrac{1}{3}x^2+10x &x<80 \\ 51x+\cfrac{10000}{x}-1450 &x\ge 80\end{cases}\).

每千件的价格为\(1000\times 0.05=50\)(万元),

\(x\)千件的销售额为\(1000\times 0.05x=50x\)(万元),

设年利润函数为\(y\)

\(y=f(x)=\begin{cases} 50x-(\cfrac{1}{3}x^2+10x)-250, &x<80 \\ 50x-(51x+\cfrac{10000}{x}-1450)-250 &x\ge 80\end{cases}\).

接下来在每一段上分别求函数的最大值,

\(x<80\)时,\(f_1(x)= 50x-(\cfrac{1}{3}x^2+10x)-250=-\cfrac{1}{3}(x-60)^2+950\)\(x<80\)

故当\(x=60 \in (0,80)\)时,\([f_1(x)]_{max}=950\)(万元)

\(x\ge 80\)时,\(f_2(x)= 50x-(51x+\cfrac{10000}{x}-1450)-250=1200-(x+\cfrac{10000}{x})\ge 1200-2\times 100=1000\)

故当\(x=100 \in (80,+\infty)\)时,\([f_2(x)]_{max}=1000(万元)>[f_1(x)]_{max}=950\)(万元),

故所获年利润的最大值\(1000\)万元。

备注:若某一段上的函数为三次多项式函数,可以利用导数求解其最大值;

【二次函数应用问题】某工厂某种产品的年固定成本为250万元,每生产\(x\)千件该产品需要另外投入的生产成本为\(G(x)\)(单位:万元),当年产量不足\(80\)千件时,\(G(x)=\cfrac{1}{3}x^2+10x\);已知每件产品的售价为\(0.05\)万元。通过市场分析,该工厂生产的产品能全部售完,则该工厂在这一产品的生产中所获年利润的最大值是多少?

解析:由题目得到生产成本为\(G(x)=\cfrac{1}{3}x^2+10x\)(\(x<80\)),每千件的价格为\(1000\times 0.05=50(万元)\),每\(x\)千件的销售额为\(1000\times 0.05x=50x(万元)\),设年利润函数为\(y\)

\(y=f(x)=50x-(\cfrac{1}{3}x^2+10x)-250\)\(x<80\).

\(x<80\)时,\(f(x)= 50x-(\cfrac{1}{3}x^2+10x)-250=-\cfrac{1}{3}(x-60)^2+950\)\(x<80\)

故当\(x=60 \in (0,80)\)时,\(f(x)_{max}=950\)(万元)

故所获年利润的最大值\(950\)万元。

【二次函数应用问题】【函数与方程】某商店每月按出厂价每瓶\(3\)元购进一种饮料, 根据以前的统计数据,若零售价定为每瓶\(4\)元, 每月可销售\(400\)瓶; 若零售价每降低(升高)\(0.5\)元, 则可多(少)销售\(40\)瓶,在每月的进货当月销售完的前提下,为获得最大利润, 销售价应定为_________元/瓶 .

〔审题分析〕:从题目的问题出发,题目求解“为获得最大利润”,我们一般是奔着利润而去,先建立利润函数模型,然后求解此函数的最大值,那么总利润又应该如何求解呢?利润=单件利润\(\times\)销售量,如果人们令销售价为\(x\)元/瓶,则单件利润为\((x-3)\)元,销售量的刻画比较复杂,它是动态变化的量,当\(x>4\)时,销售量应该是在\(400\)的基础上有所减少,减少的量为\(\cfrac{x-4}{0.5}\times40\)件,当\(x<4\)时,销售量应该是在\(400\)的基础上有所增加,增加的量为\(\cfrac{4-x}{0.5}\times40\)件,故销售量的表达式为\((400\)\(-\)\(\cfrac{x-4}{0.5}\)\(\times\)\(40)\)或者\((400\)\(+\)\(\cfrac{4-x}{0.5}\)\(\times\)\(40)\),两个式子可以合二为一为\((400\)\(+\)\(\cfrac{4-x}{0.5}\)\(\times\)\(40)\),故总的利润应该是\(y\)\(=\)\((x-3)\)\((400\)\(+\)\(\cfrac{4-x}{0.5}\)\(\times\)\(40)\),并且定义域为\(x\geqslant3\),接下来的任务就是求解这个函数的最大值,故解析如下:

〔解析〕:设销售价每瓶定为 \(x\) 元,利润为 \(y\) 元,

\(y=(x-3)\cdot\left(400+\cfrac{4-x}{0.5}\times 40\right)\)

\(=\)\(80(x-3)(9-x)\)\(=\)\(-80(x-6)^{2}+720\)(\(x\geqslant 3)\),

所以 \(x=6\) 时, \(y\) 取得最大值.

故销售价应该每瓶定为 \(6\) 元 .

【构建 \(y=x+\cfrac{a}{x}\) 函数模型】在城市旧城改造中, 某小区为了升级居住环境, 拟在小区的闲置地中规划一个而积为 \(200 m^{2}\) 的矩形区域(如图所示),按规划要求:在矩形内的四周安排$ 2m$宽的绿化,绿化造价为\(200\)元/\(m^{2}\), 中间区域地面硬化以方便后期放置各类健身器材, 硬化造价为 \(100\) 元/\(m^{2}\),设矩形的长为 \(x m\) .

实际应用问题中的最值

〔审题分析〕:矩形的长为 \(x(m)\), 面积为 \(200{m}^{2}\),则可以得到矩形的宽为 \(\cfrac{200}{x}(m)\), 四周安排\(2m\)宽的绿化,则中间区域长 \((x-4)m\), 宽 \(\left(\cfrac{200}{x}-4\right)m\), 由于要求总造价 \(y\) (元)关于 \(x(m)\) 的函数,故需表示出硬化面积的造价\(100 \times\left[(x-4)\left(\cfrac{200}{x}-4\right)\right]\)与绿化面积的造价\(200\times\left[200-(x-4)\left(\cfrac{200}{x}-4\right)\right]\)之和, 然后再求其最小值即可。

(1). 求总造价 \(y\) (元)关于长度 \(x(m)\) 的函数;

解: 由矩形的长为 \(x(m)\), 则得到矩形的宽为 \(\cfrac{200}{x}(m)\)

则中间区域的长为 \((x-4) (m)\), 宽为 \(\left(\cfrac{200}{x}-4\right)(m)\),定义域为 \(x\in(4,50)\)注意定义域的求解角度,令长\(x\)\(-\)\(4\)\(>\)\(0\),且令宽\(\cfrac{200}{x}\)\(-\)\(4\)\(>\)\(0\),求其交集得到\(4\)\(<\)\(x\)\(<\)\(50\)

\(y=100 \times\left[(x-4)\left(\cfrac{200}{x}-4\right)\right]+200\times\left[200-(x-4)\left(\cfrac{200}{x}-4\right)\right]\)

整理得 \(y=18400+400\left(x+\cfrac{200}{x}\right)\)\(x\in(4,50)\)

(2). 当 \(x(m)\) 取何值时, 总造价最低, 并求出最低总造价 .

解: 因为 \(x+\cfrac{200}{x}\geqslant 2\sqrt{x\cdot\cfrac{200}{x}}=20\sqrt{2}\)

当且仅当 \(x=\cfrac{200}{x}\), 即 \(x=10\sqrt{2}\in(4,50)\)时取等号,

所以当 \(x=10 \sqrt{2}\) 时, 总造价最低为 \((18400+8000\sqrt{2})\) 元.

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