Maksimum–Minimum Problemleri
Optimizasyon probleminde önce hedef büyüklük yazılır, kısıt kullanılarak tek değişkene indirgenir, tanım aralığı belirlenir; ekstremum türevle bulunur.
Bu konuda ne öğreneceksin
- Sözel bir problemde optimize edilecek büyüklüğü hedef fonksiyon olarak yazabilir
- Kısıt denklemini kullanarak hedef fonksiyonu tek değişkene indirgeyebilir
- Problemin fiziksel koşullarından değişkenin tanım aralığını belirleyebilir
- Kritik noktaları ve uç noktaları karşılaştırarak mutlak ekstremumu bulabilir
- Geometri, maliyet ve hareket bağlamlı problemleri türevle çözebilir
Problem türü
Bu konudaki soruların ortak yapısı şudur: bir büyüklük sabittir (kısıt), bir başka büyüklüğün en büyük ya da en küçük değeri aranır (hedef). Çit uzunluğu sabittir, alan en büyük olsun; hacim sabittir, malzeme en az olsun; toplam sabittir, çarpım en büyük olsun.
Matematiksel iş, sözel ifadeyi tek değişkenli bir fonksiyona çevirmektir. Bu çeviri yapıldıktan sonra geriye kalan, önceki konuların rutinidir.
Çözüm sırası
- Şekil çizilir, değişkenler adlandırılır. Geometrik problemlerde şekilsiz ilerlemek hataya davettir.
- Hedef fonksiyon yazılır. "Neyin en büyüğü aranıyor?" sorusunun cevabı bir formüle dökülür: , , gibi.
- Kısıt denklemi yazılır ve bir değişken yok edilir. Hedef fonksiyon tek değişkenli hâle gelir. Bu adım atlanırsa türev alınamaz.
- Tanım aralığı belirlenir. Uzunluklar negatif olamaz, bir kenar toplam uzunluğu aşamaz. Aralık genellikle ya da biçimindedir.
- Türev sıfırlanır, kritik noktalar bulunur. Aralık dışında kalan kökler atılır.
- Karşılaştırma yapılır ve sonuç soruya uygun büyüklükle yazılır. Kapalı aralıkta uç noktalar da listeye girer.
Örnek: duvara dayalı çit
Bir bahçenin bir kenarı duvara dayanmaktadır. Elde m çit vardır ve diğer üç kenar bu çitle çevrilecektir. Kapatılan alan en çok kaç metrekare olabilir?
1. Hedef fonksiyon. Aranan büyüklük alandır:
2. Kısıt. Çit yalnızca üç kenara gidecektir; duvar kenarı çit istemez:
3. Tek değişkene indirgeme.
4. Tanım aralığı. ve olmalıdır:
5. Türev.
6. Sonuç. nün işareti da dan ye döner; burası yerel maksimumdur. Aralıkta tek kritik nokta olduğu için aynı zamanda mutlak maksimumdur.
Hedef fonksiyon kolları aşağı bakan bir paraboldür; tepe noktası doğrudan çözümü verir. Grafiğin uçlarında olması anlamlıdır: iken bahçe bir çizgiye, iken yine bir çizgiye dönüşür.
Tanım aralığı neden yazılır
Türev denklemi bazen fiziksel olarak imkânsız kökler verir. Kartondan kutu yapma probleminde denkleminin kökleri ve çıkar; ama karton cm olduğundan her köşeden en çok cm kesilebilir ve kesildiğinde kutunun tabanı hiç kalmaz. kökü, aralığın dışında ya da sınırında olduğu için atılır.
Tanım aralığı ayrıca hangi karşılaştırmanın yapılacağını belirler:
| Aralık | Yapılacak |
|---|---|
| Kapalı | Kritik noktalar ve , karşılaştırılır |
| Açık | Uç noktalar listeye girmez; işaret değişimine bakılır |
Tek kritik nokta yeterli midir
Optimizasyon problemlerinde çoğu zaman aralıkta tek bir kritik nokta çıkar. Bu durumda uzun tablolar kurmaya gerek yoktur, ama gerekçe yazılmalıdır: türevin işaret değişimi gösterilir ya da ikinci türev testi uygulanır.
İspat: tek kritik noktalı problemde mutlak ekstremum
, bir aralığında sürekli olsun. nın içinde tek bir kritik noktası bulunsun ve
olsun. Bu durumda , nin üzerindeki mutlak minimumudur.
İspat. İki durum ayrı ayrı ele alınır.
nın den küçük kısmında olduğundan, 8. konudaki ölçüte göre orada azalandır. Azalan bir fonksiyonda için
nın den büyük kısmında olduğundan orada artandır. Artan bir fonksiyonda için
İki durum birleştirilirse, daki her için olur. Demek ki , yalnızca yerel değil mutlak minimumdur.
İşaretler ters alındığında ( sonra ) aynı akıl yürütme mutlak maksimum verir.
Bu önerme, optimizasyon problemlerinde neden uzun bir karşılaştırma yapmaya gerek kalmadığını açıklar: aralıkta tek kritik nokta varsa ve türev orada işaret değiştiriyorsa, bulunan değer aranan mutlak ekstremumdur.
Klasik kısıt–hedef çiftleri
| Problem | Kısıt | Hedef |
|---|---|---|
| Çit / çevre sabit | ya da | en büyük |
| Alan sabit, çit en az | en küçük | |
| Kutu hacmi sabit | en küçük | |
| Kartondan kutu | — | en büyük |
| Toplam sabit | en büyük | |
| Çarpım sabit | en küçük | |
| Bir noktaya en yakın | eğrinin denklemi | en küçük |
Son satırdaki kısaltma önemlidir: uzaklığın kendisi yerine karesi en küçüklenir. olduğundan ile aynı noktada en küçük olur, ama karekök taşımadığı için türevi çok daha sadedir.
Sonucun raporlanması
Soru neyi istiyorsa o yazılır. Türev denkleminden çıkan değeri çoğu zaman cevap değildir; ara bir sonuçtur.
| Soru | Cevap |
|---|---|
| "Kenar uzunlukları ne olmalı?" | ve |
| "En büyük alan kaçtır?" | değeri |
| "En düşük maliyet kaç TL?" | değeri |
| "Kaç saniye sonra?" | değeri |
Çözümlü örnekler
- 1Zorluk 3/5
Çarpımları olan iki pozitif sayının toplamı en az kaç olabilir? Bu toplamın bir en büyük değeri var mıdır?
1. Değişkenler ve kısıt. Sayılar ve olsun:
2. Hedef fonksiyon.
3. Tanım aralığı. herhangi bir pozitif sayı olabilir:
Aralık açıktır; uç noktası yoktur.
4. Türev.
Payda daima pozitiftir; işareti belirler.
5. İşaret ve tür.
İşaret den ya döndüğü için bir yerel minimumdur. Aralıkta tek kritik nokta olduğundan bu aynı zamanda mutlak minimumdur.
6. Maksimum var mı?
Toplam iki uçta da sınırsız büyür. En büyük değer yoktur.
Cevap: En küçük toplam dir; en büyük toplam yoktur.
Neden maksimum yok. Aralık açık olduğu için uç noktalarda hesaplanacak bir değer bulunmuyor ve fonksiyon iki uçta da sınırsız büyüyor. Kapalı aralık teoremi yalnızca kapalı aralıklarda mutlak ekstremumun varlığını garanti eder.
- 2Zorluk 4/5
Kare tabanlı, kapaksız bir kutunun hacmi cm³ olacaktır. Kullanılan malzeme (toplam yüzey alanı) en az olduğunda taban kenarı ve yükseklik kaç cm dir?
1. Değişkenler. Taban kenarı , yükseklik olsun.
2. Kısıt. Hacim sabittir:
3. Hedef fonksiyon. Kutu kapaksız olduğu için bir taban ve dört yan yüz vardır:
Kısıt yerine konur:
4. Tanım aralığı. olmalıdır; aralık dur.
5. Türev.
6. Tür kontrolü. İkinci türev alınır:
için dır; fonksiyon tüm aralıkta konvekstir ve mutlak minimumdur.
7. Sonuç.
Cevap: Taban kenarı cm, yükseklik cm; en az malzeme cm² dir.
Dikkat çeken oran. ve olduğundan dir. Bu, kare tabanlı kapaksız kutularda hacimden bağımsız olarak geçerlidir; A15 sorusunda genel hâli gösterilecektir.
- 3Zorluk 4/5
Kenar uzunluğu cm olan kare biçimindeki bir kartonun dört köşesinden, kenar uzunluğu olan birer kare kesilip kenarlar yukarı katlanarak üstü açık bir kutu yapılıyor. Hacmin en büyük olması için kaç cm olmalıdır?
1. Kutunun boyutları. Her kenardan iki köşe kesildiği için taban kenarı olur; katlanan parçanın yüksekliği tir.
2. Hedef fonksiyon.
3. Tanım aralığı. Taban kenarı pozitif olmalıdır:
4. Türev. Çarpım ve zincir kuralı birlikte kullanılır:
Ortak çarpan parantezine alınır:
5. Kökler.
kökü aralığın dışındadır (sınırdadır) ve orada olur; atılır. Geriye kalır.
6. Tür kontrolü. için her iki çarpan da pozitiftir, . için ama olduğundan . İşaret dan ye döner: yerel maksimum, aralıkta tek kritik nokta olduğu için mutlak maksimum.
7. Sonuç.
Cevap: cm olmalıdır; en büyük hacim cm³ tür.
Uç noktalar. Aralık kapalı alınsaydı () uç noktalarda ve çıkardı. İkisi de en küçük değeri verir; maksimum yine içeridedir.
- 4Zorluk 4/5
parabolü üzerindeki noktalardan noktasına en yakın olanları bulun.
1. Değişken. Parabol üzerindeki nokta biçimindedir. Tek bir değişken yeterlidir; kısıt zaten eğrinin denklemine gömülüdür.
2. Hedef fonksiyon. Uzaklığın karesi en küçüklenir:
3. Neden kare. olduğundan ile aynı değerinde en küçük olur. karekök taşımadığı için türevi çok daha sadedir.
4. Türev.
5. İşaret tablosu. ifadesinin kökleri , ve tir.
İki uçtaki kökler yerel minimum, ise yerel maksimum verir.
6. Değerler.
Noktaların ordinatı dir.
Cevap: En yakın noktalar , en kısa uzaklık dir.
neden maksimum. Orijin, ya olan uzaklığı olan bir noktadır; olduğuna göre orijin en yakın nokta değildir. Simetrik iki minimum arasındaki bu tepe, çift fonksiyonlarda beklenen davranıştır: yalnızca çift kuvvetler içerdiği için eksenine göre simetriktir.
- 5Zorluk 3/5
Bir üretici günde adet ürün ürettiğinde toplam maliyeti TL olmaktadır. Ürünün birim satış fiyatı TL olduğuna göre günlük kâr en çok kaç TL olur ve bu kaç adet üretimle sağlanır?
1. Hedef fonksiyon. Kâr, gelir ile maliyetin farkıdır. Gelir, birim fiyat çarpı adettir:
2. Tanım aralığı. Üretim miktarı negatif olamaz: .
3. Türev.
4. Tür kontrolü.
İkinci türev her yerde negatiftir; fonksiyon konkavdır ve mutlak maksimumdur.
5. Sonuç.
Cevap: Günde adet üretildiğinde kâr en çok TL olur.
Yorum. bir paraboldür ve kökleri denkleminden ile çıkar. Üretim adedin altında ya da adedin üstünde olduğunda üretici zarar eder; kâr yalnızca bu iki değer arasında pozitiftir ve tam ortada, de en büyüktür.
Sık yapılan hatalar
Hedef fonksiyonu iki değişkenli bırakmak
Hata: yazılır ve doğrudan türev alınmaya çalışılır.
Neden yanlış: Türev tek değişkenli fonksiyonlar için tanımlıdır. ile birbirinden bağımsız değildir; aralarındaki bağ kısıt denklemidir ve kullanılmadan ilerlenemez.
Doğrusu: Kısıttan çekilip hedefte yerine konur. ise yazılır ve elde edilir.
Tanım aralığını yazmamak
Hata: çözülür, çıkan bütün kökler cevap olarak değerlendirilir.
Neden yanlış: Uzunluk, alan ve süre negatif olamaz; bir kenar toplam uzunluğu aşamaz. cm'lik kartondan kutu probleminde denkleminin kökleri ve dir, ama için kutunun tabanı hiç kalmaz ve hacim sıfır olur.
Doğrusu: Değişkenin fiziksel olarak alabileceği değerler bir aralık olarak yazılır; bu aralığın dışındaki kökler elenir.
Kapalı aralıkta uç noktaları atlamak
Hata: Yalnızca kritik noktaların değerleri karşılaştırılır.
Neden yanlış: Kapalı bir aralıkta mutlak ekstremum uç noktada da olabilir. cm'lik telin bir parçasından kare, diğerinden çember yapılan problemde toplam alanın en küçüğü içeride, en büyüğü ise uç noktadadır: telin tamamı çembere ayrıldığında.
Doğrusu: Kapalı aralıkta kritik noktaların yanı sıra ve de hesaplanır.
Bulunan değerini cevap sanmak
Hata: denkleminden bulunur ve cevap yazılır.
Neden yanlış: Soru "en büyük alan kaçtır" diyorsa cevap değil dür. , hedefin en büyük olduğu yeri verir; hedefin değerini değil.
Doğrusu: Bulunan hedef fonksiyonda yerine konur ve sorunun istediği büyüklük yazılır.
Türev sıfır oldu diye "en büyük" demek
Hata: çözülür ve bulunan noktanın maksimum olduğu varsayılır.
Neden yanlış: Aynı denklem minimumu da, hiçbir ekstremum olmayan noktayı da verir. Çarpımı olan iki sayının toplamı probleminde kritik nokta bir minimum verir; maksimum yoktur, çünkü sayılardan biri büyüdükçe toplam sınırsız büyür.
Doğrusu: İşaret değişimi ya da ikinci türev testiyle noktanın türü belirlenir; ayrıca "maksimum var mı" sorusu aralığın açık ya da kapalı olmasıyla birlikte düşünülür.
Formül kartı
Altı adım
- Şekil ve değişkenler → 2. Hedef fonksiyon → 3. Kısıtla tek değişkene indirgeme → 4. Tanım aralığı → 5. → 6. Karşılaştırma ve raporlama
Sık kullanılan formüller
| Şekil | Formüller |
|---|---|
| Dikdörtgen | , |
| Kare tabanlı kapaksız kutu | , |
| Kare tabanlı kapaklı kutu | , |
| Silindir (kapaklı) | , |
| İki nokta arası uzaklık |
Kısayollar
- Uzaklık en küçüklenirken yerine kullanılır.
- Aralıkta tek kritik nokta varsa ve türev orada işaret değiştiriyorsa, sonuç mutlak ekstremumdur.
- Kapalı aralıkta uç noktalar her zaman listeye girer.
Alıştırma soruları
Bu konunun soru bankasında 38 alıştırma var. Öğretmenin ödev olarak atadığında panelinde tek tek açılır, çözümleriyle birlikte.
Bu konuyu birebir çalış
Takıldığın yeri bir öğretmenle aynı tahtada çözmek, tek başına tekrar etmekten hızlıdır.
Özel ders al