1. 实际最值问题的解法:建模、定义域、唯一驻点即最值,以及用料最省的圆柱★★ 必会
求解实际最值问题的一般步骤是:①设出变量,利用约束条件消元,写出单变量的目标函数;②写清定义域(例如半径、长度 等);③求驻点;④判定。这里有一条常用的结论:如果目标函数在开区间内连续可导且只有唯一的驻点,而该驻点是极小值点(极大值点),那么它就是最小值点(最大值点),不必再与端点比较。其依据是,连续函数在区间内唯一的极值点必为该区间上的最值点。有了这条结论,就可以免去端点与边界极限的讨论。
证明 / 推导
唯一的驻点为什么就是最值点. 设 在开区间 内连续可导。又设 是唯一的驻点,并且是极小值点。下面证明它是 上的最小值点。先看 的右侧。因为 是唯一的驻点,所以 在 内处处不为零。又 连续。如果它在其中变号,那么由介值定理它必取到零值,这与驻点唯一矛盾。因此 在 内保持同一符号。这个符号只能是正的。事实上,取 且充分接近 。由极小值的定义有 。再由拉格朗日中值定理,存在 使
而 ,故 。于是 在整个 上成立, 在 上单调增加,从而当 时 。
左侧同理。 在 内保持同号,而且只能为负,故 在 上单调减少,当 时也有 。合起来,对一切 都有 。这就证明了唯一的极小值点就是最小值点,不必再与端点比较。极大值的情形同理。
必须注意其中的前提:区间内处处可导,并且驻点唯一。如果区间内还有不可导点,那么它也是可疑点。这时上面用到的中值定理与导数保号都不再适用,必须把不可导点一并列入比较。
举例说明
例. 做容积为 的圆柱形易拉罐(有顶有底),半径 、高 ,问何时表面积最小?解. 由约束条件 ,于是表面积为
令 ,得唯一的驻点 。又 ,故 是极小值点。由于它是 内的唯一驻点,因此它就是最小值点。此时 ,即高等于底面直径,这就是用料最省的形状。