导数在实际生活中的应用

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  应用导数解决实际生活中的问题,一般需要建立适当的数学模型,将其转化为函数的最值问题,然后运用导数知识解决. 下面我们通过例题来体会运用导数解答实际问题的一般思路和步骤.
  例1 从边长为[10cm×16cm]的矩形纸板的四角截去四个相同的小正方形,做成一个无盖的盒子,则盒子容积的最大值为[________cm3.]
  解析 设盒子容积为[ycm3],盒子的高为[xcm],
  则[x∈(0,5)].
  则[y=(10-2x)(16-2x)x=4x3-52x2+160x].
  [∴y′=12x2-104x+160.]
  令[y′=0]得,[x=2],或[203](舍去).
  当[00],[y]为增函数;
  当[2  [∴ymax=6×12×2=144cm3.]
  答案 144
  点评 利用导数解决生活中的应用问题的一般步骤:(1)分析实际问题中各量之间的关系,列出实际问题的数学模型,写出实际问题中变量之间的函数关系式[y=fx],并确定函数的定义域. (2)求函数的导数[fx],解方程[fx=0.] (3)比较函数在区间端点和[fx=0]的点的函数值的大小,最大(小)者为最大(小)值. (4)回归实际问题作答.
  例2 某村庄拟修建一个无盖的圆柱形蓄水池(不计厚度). 设该蓄水池的底面半径为[r]米,高为[h]米,体积为[V]立方米. 假设建造成本仅与表面积有关,侧面的建造成本为[100]元/平方米,底面的建造成本为[160]元/平方米,该蓄水池的总建造成本为[12000π]元([π]为圆周率).
  (1)将[V]表示成[r]的函数[Vr,]并求该函数的定义域;
  (2)讨论函数[Vr]的单调性,并确定[r]和[h]为何值时该蓄水池的体积最大.
  解析 (1)因为蓄水池侧面的总成本为[200πrh]元,底面的总成本为[160πr2]元.
  所以蓄水池的总成本为[(200πrh+160πr2)]元.
  根据题意得,[200πrh+160πr2=12000π,]
  所以[h=15r(300-4r2).]
  从而[Vr=πr2h=π5(300r-4r3)].
  由[r>0,][h>0]得,[0  故函数[Vr]的定义域为[(0,53).]
  (2)由(1)知,[Vr=π5(300r-4r3),0  故[V′r=π5(300-12r2),]
  令[V′r=0,]解得,[r=5],或[-5](因[r=-5]不在定义域内,舍去).
  当[r∈(0,5)]时,[V′r>0],
  故[Vr]在[(0,5)]上为增函数;
  当[r∈(5,53)]时,[V′r<0],
  故[Vr]在[(5,53)]上为减函数.
  由此可知,[Vr]在[r=5]处取得最大值,此时[h=8.]
  即当[r=5,h=8]时,该蓄水池的体积最大.
  点评 求实际问题中的最大值或最小值时,一般是先设自变量、因变量,建立函数关系式,并确定其定义域,利用求函数的最值的方法求解,注意结果应与实际情况结合. 用导数求解实际问题中的最大(小)值时,如果函数在开区间内只有一个极值点,那么依据实际意义,该极值点就是最值点.
  例3 烟囱向其周围地区散落烟尘而污染环境. 已知落在地面某处的烟尘浓度与该处至烟囱距离的平方成反比,而与该烟囱喷出的烟尘量成正比. 现有两座烟囱相距20km,其中一座烟囱喷出的烟尘量是另一座的8倍,试求出两座烟囱连线上的一点,使该点的烟尘浓度最小.
  解析 设烟囱[A]的烟尘量为1,则烟囱[B]的烟尘量为8.
  并设[AC]=[x(0  于是点[C]的烟尘浓度为
  [y=kx2+8k(20-x)2(0  [y=-2kx3+16k(20-x)3=k?2(9x3-60x2+1200x-8000)x3(20-x)3].
  令[y=0]得,[9x3-60x2+1200x-8000=0],
  即[(3x-20)(3x2+400)=0].
  解得,[x=203].
  由于烟尘濃度的最小值客观上存在,并在(0,20)上取得,
  [∴]在[x=203]处,浓度[y]最小,即在[AB]间距[A]处[203km]处的烟尘浓度最小.
  例4 统计表明,某种型号的汽车在匀速行驶中每小时的耗油量为[y](升),关于行驶速度[x](千米/小时)的函数解析式可以表示为:[y=1128000x3-380x+8][(0  解析 当速度为[x]千米/小时时,汽车从甲地到乙地行驶了[100x]小时,设耗油量为[h(x)]升.
  依题意得,[h(x)=(1128000x3-380x+8)?100x]
  [=11280x2+800x-154(0  则[h(x)=x640-800x2=x3-803640x2(0  令[h(x)=0]得,[x=80.]
  当[x∈(0,80)]时,[h(x)<0,h(x)]是减函数;
  当[x∈(80,120)]时,[h(x)>0,h(x)]是增函数.
  [∴]当[x=80]时,[h(x)]取到极小值[h(80)=11.25.]
  因为[h(x)]在[(0,120]]上只有一个极值,所以它是最小值.
  答:当汽车以80千米/小时的速度匀速行驶时,从甲地到乙地耗油最少,最少为11.25升.
  [练习]
  某商场销售某种商品的经验表明,该商品每日的销售量[y](单位:千克)与销售价格[x](单位:元/千克)满足关系式[y=ax-3+10(x-6)2],其中[3  (1)求[a]的值;
  (2)若该商品的成本为3元/千克,试确定销售价格[x]的值,使商场每日销售该商品所获得的利润最大.
  [参考答案]
  (1)[a=2]
  (2)当销售价格为4元/千克时,商场每日销售该商品所获得的利润最大
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