Zadania

Zadania optymalizacyjne - zadania z rozwiązaniami krok po kroku

25 zadań, w których szukasz największego pola, najmniejszego kosztu albo najkrótszego czasu. W pierwszych 13 wystarczy wierzchołek paraboli, tak jak na maturze podstawowej. Pozostałe wymagają pochodnej i mają przy tytule znak R. Najpierw spróbuj sam, a jeśli utkniesz, otwórz wskazówkę. Rozwiązanie pokazuje każdy krok, a przy wielu zadaniach jest też rysunek albo wykres funkcji celu.

Rozwiązania krok po kroku: https://tablicematematyczne.pl/zadania/zadania-optymalizacyjne

Widoczne zadania: 25 z 25

Jak rozwiązać zadanie optymalizacyjne

Zadanie optymalizacyjne polega na znalezieniu największej albo najmniejszej wartości jakiejś wielkości: pola, objętości, zysku, kosztu, czasu lub odległości. Tę wielkość zapisuje się jako funkcję jednej zmiennej, nazywaną funkcją celu, i szuka się jej ekstremum w dziedzinie, która wynika z treści. Wszystkie zadania na tej stronie rozwiązujemy według tego samego schematu.

  1. Krok 1. Zmienna. Oznacz przez jedną wielkość z treści, najlepiej taką, przez którą łatwo wyrazić pozostałe. Przy zadaniach geometrycznych zrób rysunek i zaznacz na nim .
  2. Krok 2. Funkcja celu. Zapisz wielkość, o którą pyta zadanie, jako funkcję . Jeśli we wzorze są dwie zmienne, wyznacz jedną z nich z warunku podanego w treści, na przykład z długości siatki, sumy liczb albo objętości.
  3. Krok 3. Dziedzina. Długości, czasy i ceny muszą być dodatnie, a treść często dokłada własne ograniczenia. Zapisz dziedzinę, zanim zaczniesz szukać ekstremum.
  4. Krok 4. Ekstremum. Dla funkcji kwadratowej policz i sprawdź, czy należy do dziedziny. Dla innych funkcji rozwiąż i zbadaj znak pochodnej po obu stronach. Na przedziale domkniętym porównaj jeszcze wartości na końcach.
  5. Krok 5. Odpowiedź. Wróć do pytania z treści. Zwykle trzeba podać wymiary, cenę albo pole, a samo jest tylko krokiem pośrednim.

Przykład: prostokąt o obwodzie 20 cm i największym polu. Jeśli jeden bok ma długość , drugi ma , a pole wynosi dla . Parabola ma ramiona w dół, więc największa wartość leży w wierzchołku . Oba boki mają wtedy po 5 cm. Spośród prostokątów o obwodzie 20 cm największe pole, równe 25 cm², ma kwadrat.

Funkcja celu . Pogrubiona część wykresu odpowiada dziedzinie, a najwyższy punkt to wierzchołek .

Sposób szukania ekstremum zależy od poziomu. Na maturze podstawowej funkcja celu jest kwadratowa, a na rozszerzonej może być dowolna i wtedy potrzebna jest pochodna. Różnice zebrano w tabeli.

Jak szukać ekstremum funkcji celu
Poziom podstawowy Poziom rozszerzony
Funkcja celu kwadratowa: wielomian, funkcja wymierna, funkcja z pierwiastkiem
Gdzie szukać ekstremum w wierzchołku , jeśli należy do dziedziny, oraz na końcach przedziału w punktach, w których , oraz na końcach przedziału
Uzasadnienie kierunek ramion paraboli, czyli znak zmiana znaku pochodnej w znalezionym punkcie

Wzory potrzebne w obu przypadkach znajdziesz na stronach współrzędne wierzchołka paraboli i warunek konieczny istnienia ekstremum.

A. Zadania optymalizacyjne z liczbami i odległościami

Najprostsze zadania optymalizacyjne dotyczą samych liczb. Warunek z treści pozwala wyrazić jedną liczbę przez drugą i zostaje funkcja kwadratowa jednej zmiennej. W zadaniu 4 ten sam pomysł działa w układzie współrzędnych.

Zadanie 1. Największy iloczyn przy stałej sumie

2 pkt #

Suma dwóch liczb rzeczywistych jest równa 12. Wyznacz te liczby, dla których ich iloczyn jest największy, i oblicz ten iloczyn.

Zadanie 2. Najmniejszy iloczyn przy stałej różnicy

2 pkt #

Różnica dwóch liczb rzeczywistych jest równa 8. Wyznacz te liczby, dla których ich iloczyn jest najmniejszy.

Zadanie 3. Najmniejsza suma kwadratów

3 pkt #

Liczby i spełniają warunek . Dla jakich i suma jest najmniejsza? Oblicz tę sumę.

Zadanie 4. Punkt prostej najbliżej początku układu

3 pkt #

Na prostej wyznacz punkt, który leży najbliżej początku układu współrzędnych. Oblicz odległość tego punktu od początku układu.

B. Największe pole figury - zadania z funkcją kwadratową

W zadaniach geometrycznych funkcją celu jest zwykle pole. Trzeba je wyrazić przez długość jednego odcinka, korzystając z długości ogrodzenia, drutu albo z podobieństwa trójkątów. Dziedzina wynika z tego, że wszystkie boki muszą mieć dodatnią długość.

Zadanie 5. Wybieg z przegrodą przy ścianie

3 pkt #

Rolnik ma 60 m siatki. Chce ogrodzić prostokątny wybieg przylegający jednym bokiem do ściany stodoły i podzielić go przegrodą z tej samej siatki na dwie części, jak na rysunku. Wzdłuż ściany siatki nie stawia. Jakie wymiary powinien mieć wybieg, żeby jego pole było największe?

ściana x x x y

Zadanie 6. Prostokąt wpisany w trójkąt prostokątny

3 pkt #

W trójkąt prostokątny o przyprostokątnych 6 i 8 wpisano prostokąt tak, że dwa jego boki leżą na przyprostokątnych, a jeden wierzchołek na przeciwprostokątnej. Oblicz wymiary prostokąta o największym polu.

8 6 x y

Zadanie 7. Rynna o największym przekroju

2 pkt #

Z prostokątnego pasa blachy o szerokości 30 cm robi się rynnę. Oba brzegi pasa zagina się pod kątem prostym na tę samą wysokość, więc przekrój rynny jest prostokątem bez górnego boku. Na jaką wysokość trzeba zagiąć brzegi, żeby pole przekroju było największe?

x x 30 − 2x

Zadanie 8. Drut pocięty na dwa kwadraty

3 pkt #

Drut o długości 20 cm przecięto na dwie części i z każdej zgięto kwadrat. Jak trzeba przeciąć drut, żeby suma pól kwadratów była najmniejsza? Czy da się tak przeciąć drut, żeby suma pól była największa?

Zadanie 9. Trójkąt prostokątny o stałej sumie przyprostokątnych

3 pkt #

Suma długości przyprostokątnych trójkąta prostokątnego jest równa 10.

a) Oblicz największe możliwe pole takiego trójkąta.
b) Oblicz najmniejszą możliwą długość jego przeciwprostokątnej.

C. Zadania optymalizacyjne o cenie, zysku i ruchu

W zadaniach o cenie, zysku albo ruchu funkcję celu trzeba najpierw ułożyć z opisu słownego. Warto ustalić, co dokładnie jest zmienną (obniżka ceny, liczba drzew, czas), i sprawdzić, czy treść nie ogranicza jej zakresu. W zadaniu 11 właśnie takie ograniczenie zmienia odpowiedź.

Zadanie 10. Cena biletu i przychód kina

3 pkt #

Na seans, na który bilet kosztuje 20 zł, przychodzi średnio 200 widzów. Z obserwacji wynika, że każda obniżka ceny o 1 zł przyciąga 20 dodatkowych widzów. Jaką cenę biletu powinno ustalić kino, żeby przychód z seansu był największy? Ile wynosi ten przychód?

Zadanie 11. Zysk przy ograniczonej produkcji

3 pkt #

Tygodniowy zysk zakładu (w tysiącach złotych) z produkcji setek sztuk towaru opisuje funkcja . Zakład może wyprodukować co najwyżej 3000 sztuk tygodniowo. Przy jakiej produkcji zysk będzie największy? Oblicz ten zysk.

Zadanie 12. Kiedy dwa statki są najbliżej siebie

4 pkt #

W chwili statek A wypływa z portu O na wschód z prędkością 60 km/h. W tej samej chwili statek B jest 100 km na północ od portu i płynie prosto do niego z prędkością 80 km/h. Po jakim czasie odległość między statkami będzie najmniejsza? Ile wtedy wynosi?

Zadanie 13. Ile jabłoni posadzić w sadzie

3 pkt #

Na jednym hektarze sadu rośnie 50 jabłoni i każda daje średnio 400 kg owoców. Sadownik wie, że każda dodatkowa jabłoń na tym hektarze zmniejsza plon każdego drzewa o 5 kg. Ile jabłoni powinien mieć na hektarze, żeby zbiór był największy?

D. Wartość największa i najmniejsza z pochodną

Na poziomie rozszerzonym funkcja celu nie musi być kwadratowa. Ekstremum szuka się wtedy pochodną: wyznacza się punkty, w których , i sprawdza znak pochodnej po obu ich stronach. Jeśli dziedziną jest przedział domknięty, trzeba jeszcze porównać wartości na końcach.

Zadanie 14. Wielomian w przedziale domkniętym R

4 pkt #

Wyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji w przedziale .

Zadanie 15. Największa wartość iloczynu x · y² R

4 pkt #

Liczby dodatnie i spełniają warunek . Dla jakich i wyrażenie przyjmuje największą wartość? Oblicz tę wartość.

Zadanie 16. Punkt paraboli najbliżej danego punktu R

5 pkt #

Na paraboli znajdź punkty, które leżą najbliżej punktu . Oblicz ich odległość od punktu .

E. Zadania optymalizacyjne z geometrii i stereometrii

To typowe zadania z matury rozszerzonej. Najwięcej pracy wymaga zwykle ułożenie funkcji celu: pole albo objętość trzeba wyrazić przez jedną zmienną za pomocą warunku z treści, twierdzenia Pitagorasa lub wzorów na bryły. Sama pochodna jest potem prosta. W zadaniach 21 i 23 pokazujemy dwa sposoby na pierwiastek w funkcji celu.

Zadanie 17. Pudełko z kartonu R

5 pkt #

Z kwadratowego arkusza kartonu o boku 30 cm wycina się w rogach cztery jednakowe kwadraty, a powstałe boki zagina do góry. Powstaje otwarte pudełko w kształcie prostopadłościanu. Jaki bok powinny mieć wycięte kwadraty, żeby objętość pudełka była największa?

x 30 − 2x 30

Zadanie 18. Puszka z najmniejszej ilości blachy R

6 pkt #

Puszka w kształcie walca ma mieć objętość . Jaki promień podstawy i jaką wysokość powinna mieć, żeby jej pole powierzchni całkowitej, a więc zużycie blachy, było najmniejsze?

r h

Zadanie 19. Prostokąt pod parabolą R

5 pkt #

Prostokąt ma dwa wierzchołki na osi , a dwa pozostałe na paraboli , powyżej osi . Wyznacz wymiary prostokąta o największym polu.

(x, 12 − x²) −x x x y

Zadanie 20. Graniastosłup o danym polu powierzchni R

5 pkt #

Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa prawidłowego czworokątnego jest równe . Jaką długość powinna mieć krawędź podstawy, żeby objętość graniastosłupa była największa? Oblicz tę objętość.

Zadanie 21. Stożek o danej tworzącej R

5 pkt #

Tworząca stożka ma długość . Jaką wysokość powinien mieć stożek, żeby jego objętość była największa? Oblicz tę objętość.

Zadanie 22. Trapez wpisany w półkole R

6 pkt #

W półkole o promieniu 1 wpisano trapez równoramienny tak, że dłuższa podstawa trapezu jest średnicą półkola, a końce krótszej podstawy leżą na łuku. Oblicz długość krótszej podstawy trapezu o największym polu oraz to pole.

O x h 1

Zadanie 23. Trójkąt równoramienny o danym obwodzie R

6 pkt #

Obwód trójkąta równoramiennego jest równy 18. Jaką długość powinno mieć ramię, żeby pole trójkąta było największe? Oblicz to pole.

F. Najmniejszy koszt i najkrótszy czas z pochodną

Tu funkcją celu jest koszt albo czas. Zwykle składa się z dwóch części, z których jedna rośnie, a druga maleje, gdy zmienia się zmienna. Pochodna wskazuje punkt, w którym suma obu części jest najmniejsza.

Zadanie 24. Najtańszy rejs R

5 pkt #

Statek płynie ze stałą prędkością km/h po trasie długości 100 km. Godzina rejsu kosztuje zł za paliwo oraz 160 zł kosztów stałych (załoga, opłaty). Z jaką prędkością powinien płynąć statek, żeby koszt całego rejsu był najmniejszy? Ile wynosi ten koszt?

Zadanie 25. Najszybsza droga do sklepu R

6 pkt #

Dom A stoi 3 km od prostej szosy. Punkt D to rzut punktu A na szosę, a sklep B leży przy szosie 10 km od D. Przez pole można iść z prędkością 3 km/h, a szosą 5 km/h. W którym punkcie C odcinka DB trzeba wejść na szosę, żeby dojść z domu do sklepu w najkrótszym czasie? Ile trwa taka droga?

A D C B 3 x 10 − x

Najczęstsze błędy w zadaniach optymalizacyjnych

Brak dziedziny

Dopiero dziedzina pokazuje, czy znaleziony punkt w ogóle ma sens. Pochodna albo wierzchołek może wskazać wartość, dla której figura nie istnieje, bok jest ujemny albo cena spada poniżej zera.

W zadaniu 17 pochodna zeruje się w x = 5 i x = 15, ale pudełko da się zrobić tylko dla x < 15.

Wierzchołek poza dziedziną

Wierzchołek paraboli daje wartość największą lub najmniejszą tylko wtedy, gdy należy do dziedziny. W przeciwnym razie funkcja jest w dziedzinie monotoniczna i ekstremum leży na końcu przedziału albo nie istnieje.

W zadaniu 11 wierzchołek to x = 40, a zakład może produkować najwyżej 30 setek sztuk. Największy zysk jest dla x = 30.

Odpowiedź na inne pytanie

Wierzchołek albo punkt z to tylko wartość zmiennej. Zadanie pyta zwykle o wymiary, cenę, pole lub czas, więc przed zapisaniem odpowiedzi warto jeszcze raz przeczytać polecenie.

W zadaniu 10 wychodzi p = 5, ale to obniżka. Cena biletu to 20 − 5 = 15 zł.

Pochodna równa zeru bez sprawdzenia znaku

Warunek jest konieczny, ale nie wystarcza. W takim punkcie może być maksimum, minimum albo żadne z nich. Rozstrzyga zmiana znaku pochodnej.

W zadaniu 16 pochodna zeruje się w x = 0, ale tam odległość ma maksimum lokalne, a nie minimum.

Funkcja celu z dwiema zmiennymi

Wzór jest dobrym początkiem, ale szukać ekstremum można dopiero po wyrażeniu przez . Warunek, który na to pozwala, podaje treść zadania.

W zadaniu 5 z długości siatki 3x + y = 60 wynika y = 60 − 3x, więc P(x) = x(60 − 3x).

Pominięte końce przedziału domkniętego

Na przedziale domkniętym wartość największa lub najmniejsza może leżeć na jego końcu, nawet jeśli wewnątrz jest ekstremum lokalne. Wartości na końcach trzeba policzyć i porównać.

f(x) = x³ − 3x na [0, 3] ma minimum lokalne w x = 1, ale największą wartość f(3) = 18 przyjmuje na końcu przedziału.

Porady do zadań optymalizacyjnych

Zacznij od rysunku. Nawet prosty szkic z zaznaczonym pokazuje, które odcinki zależą od zmiennej i jaki warunek je łączy. W zadaniach z figurami wpisanymi często widać na nim od razu trójkąty podobne albo trójkąt prostokątny do twierdzenia Pitagorasa.

Omijaj pierwiastki. Czasem wystarczy wybrać inną zmienną, jak w zadaniu 21. Jeśli się nie da, badaj kwadrat funkcji celu (zadania 4, 16 i 23). Dla wielkości dodatnich, takich jak odległość czy pole, i mają ekstremum w tym samym punkcie.

Wierzchołek bez wzoru. Funkcja celu często ma od razu postać iloczynową, na przykład . Wtedy to średnia miejsc zerowych: . Wzór na współrzędne wierzchołka jest też w tablicach maturalnych CKE.

Sprawdź wynik liczbą obok. Policz funkcję celu dla wartości trochę mniejszej i trochę większej od znalezionej. W zadaniu 5 dla pole wynosi , a dla jest to . Oba wyniki są mniejsze od 300, więc maksimum się zgadza.

Pytania o zadania optymalizacyjne

Co to są zadania optymalizacyjne?

To zadania, w których trzeba znaleźć największą albo najmniejszą wartość jakiejś wielkości: pola, objętości, zysku, kosztu, czasu lub odległości. Tę wielkość zapisuje się jako funkcję jednej zmiennej, wyznacza dziedzinę i szuka ekstremum. Na poziomie podstawowym funkcja jest kwadratowa, a na rozszerzonym używa się pochodnej.

Jak rozwiązać zadanie optymalizacyjne?

Oznacz jedną wielkość przez . Zapisz wielkość, którą trzeba zoptymalizować, jako funkcję , a drugą zmienną wyznacz z warunku z treści. Ustal dziedzinę. Znajdź ekstremum: dla funkcji kwadratowej w wierzchołku , dla innych funkcji tam, gdzie pochodna zmienia znak. Na koniec odpowiedz na pytanie z treści, bo zwykle chodzi o wymiary, cenę albo pole. Cały schemat jest opisany na początku strony.

Jakie są zadania optymalizacyjne z funkcji kwadratowej?

To zadania, w których funkcja celu jest trójmianem kwadratowym. Typowe przykłady to ogrodzenie prostokątnego terenu o największym polu, iloczyn dwóch liczb o stałej sumie, prostokąt wpisany w trójkąt oraz cena, przy której przychód jest największy. Ekstremum leży w wierzchołku paraboli, o ile należy do dziedziny. W przeciwnym razie trzeba sprawdzić końce przedziału. Takie zadania są w działach A, B i C.

Czy na maturze podstawowej trzeba znać pochodne?

Nie. Pochodna jest w wymaganiach tylko na poziomie rozszerzonym. Zadania optymalizacyjne z matury podstawowej rozwiązuje się własnościami funkcji kwadratowej, głównie wzorem na współrzędne wierzchołka paraboli. Filtr „Podstawowe” u góry strony pokazuje tylko takie zadania.

Jakie są zadania optymalizacyjne na maturze rozszerzonej?

Funkcja celu bywa wielomianem trzeciego stopnia, funkcją wymierną albo zawiera pierwiastek, więc ekstremum wyznacza się pochodną. Najczęściej dotyczą brył (stożek, walec, graniastosłup), figur wpisanych w okrąg lub pod wykres funkcji oraz kosztu i czasu. Trzeba też uzasadnić, że w znalezionym punkcie funkcja przyjmuje wartość największą lub najmniejszą, na przykład badając znak pochodnej. Przykłady są w działach D, E i F.

Co zrobić, gdy wierzchołek paraboli leży poza dziedziną?

Wtedy funkcja jest monotoniczna w całej dziedzinie, więc wartość największą lub najmniejszą przyjmuje na jednym z końców przedziału. Jeśli ten koniec nie należy do dziedziny, bo przedział jest otwarty, szukana wartość w ogóle nie istnieje. Pierwszy przypadek pokazuje zadanie 11, a drugi zadanie 8.

Wzory i zadania, które się przydadzą

Pytania i odpowiedzi

Zadaj pytanie

Zacznij pisać, aby wyszukać wzory matematyczne