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高中数学必修五学案:线性规划的整数解和非线性规划问题(解析版)

高中数学必修五学案:线性规划的整数解和非线性规划问题(解析版)学习目标 1.了解实际线性规划中的整数解求法.2.会求一些简单的非线性规划的最优解.知识点一 非线性约束条件思考 类比探究二元一次不等式表示平面区域的方法,画出约束条件(x -a )2+(y -b )2≤r 2的可行域.答案梳理 非线性约束条件的概念:约束条件不是二元一次不等式,这样的约束条件称为非线性约束条件.知识点二 非线性目标函数思考 在问题“若x ,y 满足⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≥6,x ≤4,y ≤4,求 =y -1x -1的最大值”中,你能仿照目标函数 =ax +by 的几何意义来解释 =y -1x -1的几何意义吗? 答案 =y -1x -1的几何意义是点(x ,y )与点(1,1)连线的斜率.梳理 下表是一些常见的非线性目标函数.1.可行域内的整点指横坐标、纵坐标均为整数的点.(√)2.目标函数 =x 2+y 2的几何意义为点(x ,y )到点(0,0)的距离.(×)3.目标函数 =ax +by (b ≠0)中, 的几何意义是直线ax +by - =0在y 轴上的截距.(×)类型一 生活实际中的线性规划问题例1 某工厂制造甲、乙两种家电产品,其中每件甲种家电需要在电器方面加工6小时,装配加工1小时,每件甲种家电的利润为200元;每件乙种家电需要在外壳配件方面加工5小时,在电器方面加工2小时,装配加工1小时,每件乙种家电的利润为100元.已知该工厂可用于外壳配件方面加工的能力为每天15小时,可用于电器方面加工的能力为每天24小时,可用于装配加工的能力为每天5小时.问该工厂每天制造两种家电各几件,可使获取的利润最大?(每天制造的家电件数为整数) 考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题解 设该工厂每天制造甲、乙两种家电分别为x 件,y 件,获取的利润为 百元, 则 =2x +y (百元),⎩⎪⎨⎪⎧6x +2y ≤24,x +y ≤5,5y ≤15,x ,y ∈N ,即⎩⎪⎨⎪⎧3x +y ≤12,x +y ≤5,y ≤3,x ,y ∈N ,作出可行域,如图阴影部分中的整点,由图可得O (0,0),A (0,3),B (2,3),C ⎝⎛⎭⎫72,32,D (4,0).平移直线y =-2x + ,又x ,y ∈N ,所以当直线过点(3,2)或(4,0)时, 有最大值.所以工厂每天制造甲种家电3件,乙种家电2件或仅制造甲种家电4件,可获利最大. 反思与感悟 在实际应用问题中,有些最优解往往需要整数解(比如人数、车辆数等),而直接根据约束条件得到的不一定是整数解,可以运用列举法验证求最优整数解,或者运用平移直线求最优整数解.最优整数解有时并非只有一个,应具体情况具体分析.跟踪训练1 预算用2000元购买单价为50元的桌子和20元的椅子,希望使桌子和椅子的总数尽可能的多,但椅子数不少于桌子数,且不多于桌子数的1.5倍,问桌子、椅子各买多少才是最好的选择? 考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题解 设桌子、椅子分别买x 张,y 把,目标函数 =x +y ,把所给的条件表示成不等式组,即约束条件为⎩⎪⎨⎪⎧50x +20y ≤2000,y ≥x ,y ≤32x ,x ∈N ,y ∈N .由⎩⎪⎨⎪⎧50x +20y =2000,y =x ,解得⎩⎨⎧x =2007,y =2007,所以A 点的坐标为⎝⎛⎭⎫2007,2007.由⎩⎪⎨⎪⎧ 50x +20y =2000,y =32x ,解得⎩⎪⎨⎪⎧x =25,y =752,所以B 点坐标为⎝⎛⎭⎫25,752. 所以满足条件的可行域是以A ⎝⎛⎭⎫2007,2007,B ⎝⎛⎭⎫25,752, O ()0,0为顶点的三角形区域(含边界)(如图),由图形可知,目标函数 =x +y 在可行域内经过点B ⎝⎛⎭⎫25,752时取得最大值, 但注意到x ∈N ,y ∈N ,故取⎩⎪⎨⎪⎧x =25,y =37.故买桌子25张,椅子37把是最好的选择. 类型二 非线性目标函数的最值问题 命题角度1 斜率型目标函数例2 已知实数x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧2x +y -2≥0,x -2y +4≥0,3x -y -3≤0.试求 =y +1x +1的最大值和最小值.考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求斜率型目标函数的最值解 作出不等式组表示的平面区域如图阴影部分(包含边界)所示, 由于 =y +1x +1=y -(-1)x -(-1),故 的几何意义是点(x ,y )与点M (-1,-1)连线的斜率, 因此y +1x +1的最值是点(x ,y )与点M (-1,-1)连线的斜率的最值,由图可知,直线MB 的斜率最大,直线MC 的斜率最小,又∵B (0,2),C (1,0),∴ max = MB =3, min = MC =12.∴ 的最大值为3,最小值为12.引申探究1.把目标函数改为 =3y +12x +1,求 的取值范围.解 =32·y +13x +12,其中 =y +13x +12的几何意义为点(x ,y )与点N ⎝⎛⎭⎫-12,-13连线的斜率.由图易知, NC ≤ ≤ NB ,即29≤ ≤143,∴13≤32≤7,∴ 的取值范围是⎣⎡⎦⎤13,7. 2.把目标函数改为 =2x +y +1x +1,求 的取值范围.解 =2(x +1)+y -1x +1=y -1x +1+2.设 =y -1x +1,仿例2解得-12≤ ≤1.∴ ∈⎣⎡⎦⎤32,3. 反思与感悟 对于形如cx +dy +fax +b的目标函数,可变形为定点到可行域上的动点连线斜率问题.跟踪训练2 实数x ,y 满足⎩⎪⎨⎪⎧x ≥1,y ≥0,x -y ≥0,则 =y -1x的取值范围是( )A.[-1,0]B.(-∞,0]C.[-1,+∞)D.[-1,1) 考点 题点 答案 D解析 作出可行域阴影部分,如图所示,y -1x 的几何意义是点(x ,y )与点(0,1)连线l 的斜率,当直线l 过B (1,0)时 l 最小,最小为-1.又直线l 不能与直线x -y =0平行, ∴ l <1.综上, ∈[-1,1).命题角度2 两点间距离型目标函数例3 已知x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧2x +y -2≥0,x -2y +4≥0,3x -y -3≤0,试求 =x 2+y 2的最大值和最小值. 考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求距离型目标函数的最值解 =x 2+y 2表示可行域内的点到原点的距离的平方,结合图形(例2图)知,原点到点A 的距离最大,原点到直线BC 的距离最小. 故 max =|OA |2=13, min =⎝⎛⎭⎫|OB |·|OC ||BC |2=⎝ ⎛⎭⎪⎫2×152=45. 反思与感悟当两点间的距离、点到直线的距离与可行域相结合求最值时,注意数形结合思想方法的灵活运用.跟踪训练3 变量x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧x -4y +3≤0,3x +5y -25≤0,x ≥1.(1)设 =yx ,求 的最小值;(2)设 =x 2+y 2,求 的取值范围;(3)设 =x 2+y 2+6x -4y +13,求 的取值范围. 考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求距离型目标函数的最值解 由约束条件 ⎩⎪⎨⎪⎧x -4y +3≤0,3x +5y -25≤0,x ≥1作出可行域如图阴影部分(含边界)所示.由⎩⎪⎨⎪⎧ x =1,3x +5y -25=0,解得A ⎝⎛⎭⎫1,225; 由⎩⎪⎨⎪⎧x =1,x -4y +3=0,解得C (1,1); 由⎩⎪⎨⎪⎧x -4y +3=0,3x +5y -25=0,解得B (5,2). (1)因为 =y x =y -0x -0,所以 的值即是可行域中的点与原点O 连线的斜率. 观察图形可知 min = OB =25.(2) =x 2+y 2的几何意义是可行域上的点到原点O 的距离的平方.结合图形可知,可行域上的点到原点的距离中,d min =|OC |=2,d max =|OB |=29, 即2≤ ≤29.(3) =x 2+y 2+6x -4y +13=(x +3)2+(y -2)2的几何意义是可行域上的点到点(-3,2)的距离的平方.结合图形可知,可行域上的点到点(-3,2)的距离中, d min =1-(-3)=4,d max =5-(-3)=8.所以16≤ ≤64.1.某电脑用户计划使用不超过500元的资金购买单价分别为60元、70元的单片软件和盒装磁盘.根据需要,软件至少买3片,磁盘至少买2盒,则不同的选购方式共有( ) A.5种B.6种C.7种D.8种 考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题 答案 C解析 设购买软件x 片,磁盘y 盒,则⎩⎪⎨⎪⎧60x +70y ≤500,x ≥3,x ∈N *,y ≥2,y ∈N *,画出线性约束条件表示的平面区域,如图阴影部分(含边界)所示.落在阴影部分(含边界)区域的整点有(3,2),(3,3),(3,4),(4,2),(4,3),(5,2),(6,2)共7个整点.即有7种选购方式.2.已知点P (x ,y )的坐标满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≤4,y ≥x ,x ≥1,则x 2+y 2的最大值为( )A.10B.8C.16D.10考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求距离型目标函数的最值 答案 D解析 画出不等式组对应的可行域如图(阴影部分含边界)所示,易得A (1,1),|OA |=2, B (2,2),|OB |=22, C (1,3),|OC |=10. ∴(x 2+y 2)max =|OC |2 =(10)2=10.3.若x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≥6,x ≤4,y ≤4,则 =y -1x -1的最大值是 . 考点 非线性目标函数的最值问题题点 求斜率型目标函数的最值 答案 3解析 作出不等式组表示的平面区域如图中阴影部分所示(包括边界). =y -1x -1可看作可行域上的点(x ,y )与定点B (1,1)连线的斜率.由图可知 =y -1x -1的最大值为 AB =3. 4.已知实数x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧y ≤1,x ≤1,x +y ≥1,则 =x 2+y 2的最小值为 .考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求距离型目标函数的最值 答案 12解析 实数x ,y 满足的可行域如图中阴影部分(含边界)所示, 则 的最小值为原点到直线AB 的距离的平方,故 min =⎝⎛⎭⎫122=12.1.画图对解决线性规划问题至关重要,关键步骤基本上是在图上完成的,所以作图应尽可能准确,图上操作尽可能规范.2.在实际应用问题中,有些最优解往往需要整数解(比如人数、车辆数等),应结合可行域与目标函数微调.3.对于非线性目标函数,应准确翻译其几何意义,如x 2+y 2是点(x ,y )到点(0,0)的距离的平方,而非距离.一、选择题1.在“家电下乡”活动中,某厂要将100台洗衣机运往邻近的乡镇.现有4辆甲型货车和8辆乙型货车可供使用.每辆甲型货车运输费用400元,可装洗衣机20台;每辆乙型货车运输费用300元,可装洗衣机10台.若每辆车至多只运一次,则该厂所花的最少运输费用为( ) A.2000元 B.2200元 C.2400元D.2800元考点 线性规划中的整点问题题点 线性规划中的整点问题 答案 B解析 设需使用甲型货车x 辆,乙型货车y 辆,运输费用 元, 根据题意,得线性约束条件⎩⎪⎨⎪⎧20x +10y ≥100,0≤x ≤4,x ∈N ,0≤y ≤8,y ∈N .求线性目标函数 =400x +300y 的最小值, 可行域如图阴影部分(含边界)所示,解得当⎩⎪⎨⎪⎧x =4,y =2时, 有最小值,且min =2200(元).2.已知O 是坐标原点,点A (-1,1),若点M (x ,y )为平面区域⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≥2,x ≤1,y ≤2上的一个动点,则OA →·OM →的取值范围是( ) A.[-1,0] B.[0,1] C.[0,2] D.[-1,2] 考点 线性目标最优解 题点 求线性目标函数的最优解 答案 C解析 作出可行域,如图阴影部分(含边界)所示,因为OA →·OM →=-x +y .所以设 =-x +y ,作l 0:x -y =0,易知过点P (1,1)时, 有最小值, min =-1+1=0; 过点Q (0,2)时, 有最大值, max =0+2=2, 所以OA →·OM →的取值范围是[0,2].3.某公司有60万元资金,计划投资甲、乙两个项目,按要求对项目甲的投资不小于对项目乙投资的23,且对每个项目的投资不能低于5万元,对项目甲每投资1万元可获得0.4万元的利润,对项目乙每投资1万元可获得0.6万元的利润,该公司正确规划投资后,在这两个项目上共可获得的最大利润为( ) A.36万元B.31.2万元C.30.4万元D.24万元 考点 线性目标函数的最值问题 题点 求线性目标函数的最值 答案 B解析 设投资甲项目x 万元,投资乙项目y 万元,可获得利润 万元,则⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≤60,x ≥23y ,x ≥5,y ≥5,=0.4x +0.6y .可行域如图阴影部分(含边界)所示,由图象知,目标函数 =0.4x +0.6y 在A 点取得最大值. 由⎩⎪⎨⎪⎧x +y =60,y =32x ,得A (24,36),∴ max =0.4×24+0.6×36=31.2(万元). 4.设x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧x ≥0,y ≥x ,4x +3y ≤12,则2y +2x +1的最大值是( ) A.5B.6C.8D.10考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求斜率型目标函数的最值 答案 D解析 画出可行域如图阴影部分(含边界)所示,y +1x +1的几何意义是点M (-1,-1)与可行域内的点P (x ,y )连线的斜率,当点P 移动到点N (0,4)时,斜率最大,最大值为4-(-1)0-(-1)=5,∴⎝ ⎛⎭⎪⎫2y +2x +1max =2×5=10.故选D.5.设 =x +y ,其中实数x ,y 满足⎩⎪⎨⎪⎧x +2y ≥0,x -y ≤0,0≤y ≤k ,若 的最大值为6,则 的最小值为( )A.-3B.-2C.-1D.0考点 线性规划中的参数问题 题点 线性规划中的参数问题 答案 A解析 作出不等式组对应的平面区域如图中阴影部分所示,由 =x +y ,得y =-x + ,由图可知当直线y =-x + 经过点A 时,直线y =-x + 在y 轴上的截距最大,此时 最大为6,由⎩⎪⎨⎪⎧ y =k ,x -y =0,得⎩⎪⎨⎪⎧x =k ,y =k ,即点A ( , ),∴ = + =6,得 =3.当直线y =-x + 经过点B 时, 取得最小值,由⎩⎪⎨⎪⎧ y =k =3,x +2y =0,解得⎩⎪⎨⎪⎧x =-6,y =3,即点B (-6,3),此时 的最小值为-6+3=-3. 6.设实数x ,y 满足⎩⎪⎨⎪⎧x -y -2≤0,x +2y -5≥0,y -2≤0,则 =y x +xy的取值范围是( )A.⎣⎡⎦⎤13,103B.⎣⎡⎦⎤13,52C.⎣⎡⎦⎤2,52D.⎣⎡⎦⎤2,103 考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求非线性目标函数最值问题综合 答案 D解析 令 =yx ,则y = x (因为x ≠0,所以 存在),直线y = x 恒过原点,不等式组⎩⎪⎨⎪⎧x -y -2≤0,x +2y -5≥0,y -2≤0表示的可行域如图中阴影部分(含边界)所示,当直线y = x 过点A (1,2)时,斜率有最大值2;当直线y = x 过点B (3,1)时,斜率有最小值13,所以斜率 的取值范围为⎣⎡⎦⎤13,2,又 =y x +x y = +1k ,当 ∈⎣⎡⎦⎤13,1时, = +1k 为减函数;当 ∈[1,2]时, = +1k 为增函数,可得 的取值范围为⎣⎡⎦⎤2,103,故选D. 7.若满足条件⎩⎪⎨⎪⎧x -y ≥0,x +y -2≤0,y ≥a 的整点(x ,y )(整点是指横、纵坐标都是整数的点)恰有9个,则整数a 的值为( ) A.-3 B.-2 C.-1D.0考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题 答案 C解析 不等式组所表示的平面区域如图阴影部分(含边界)所示,当a =0时,只有4个整点(1,1),(0,0),(1,0),(2,0).当a =-1时,正好增加(-1,-1),(0,-1),(1,-1),(2,-1),(3,-1),5个整点.再加上a =0时的四个整点,共9个整点,故选C. 二、填空题8.某公司招收男职员x 名,女职员y 名,x 和y 需满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧5x -11y ≥-22,2x +3y ≥9,2x ≤11,x ,y ∈N *,则 =10x +10y 的最大值是 . 考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题 答案 90解析 先画出满足约束条件的可行域,如图中阴影部分(含边界)所示,由⎩⎪⎨⎪⎧ 5x -11y =-22,2x =11,解得⎩⎪⎨⎪⎧x =5.5,y =4.5, 但x ∈N ,y ∈N ,结合图知当x =5,y =4时, max =90.9.实数x ,y 满足不等式组⎩⎪⎨⎪⎧y ≥0,x -y ≥0,2x -y -2≤0,则ω=y -1x +1的取值范围是 .考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求斜率型目标函数的最值 答案 ⎣⎡⎦⎤-1,13 解析 如图,画出满足不等式组⎩⎪⎨⎪⎧y ≥0,x -y ≥0,2x -y -2≤0的解(x ,y )构成的可行域△ABO ,求得B (2,2),根据目标函数的几何意义是可行域上一点(x ,y )与点(-1,1)连线的斜率, 可求得目标函数的最小值为-1,最大值为13.故ω的取值范围是⎣⎡⎦⎤-1,13. 10.已知⎩⎪⎨⎪⎧x ≥1,x -y +1≤0,2x -y -2≤0,则x 2+y 2的最小值是 .考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求距离型目标函数的最值 答案 5解析 令 =x 2+y 2,画出可行域,如图阴影部分(含边界)所示,令d =x 2+y 2,即可行域中的点到原点的距离, 由图得d min =1+4=5,∴ min =d 2=5. 三、解答题11.某超市要将甲、乙两种大小不同的袋装大米分装成A ,B 两种规格的小袋,每袋大米可同时分得A ,B 两种规格的小袋大米的袋数如表所示:已知库房中现有甲、乙两种袋装大米的数量分别为5袋和10袋,市场急需A ,B 两种规格的成品数分别为15袋和27袋.问分甲、乙两种袋装大米各多少袋可得到所需A ,B 两种规格的成品数,且使所用的甲、乙两种袋装大米的袋数最少?(要求画出可行域) 考点 线性规划中的整点问题 题点 线性规划中的整点问题解 设需分甲、乙两种袋装大米的袋数分别为x ,y ,所用的袋装大米的总袋数为 ,则⎩⎪⎨⎪⎧2x +y ≥15,x +3y ≥27,0≤x ≤5,0≤y ≤10,=x +y (x ,y 为整数),作出可行域D 如图阴影部分(含边界)所示.从图中可知,可行域D 的所有整数点为(3,9),(3,10),(4,8),(4,9),(4,10),(5,8),(5,9),(5,10),共8个点.因为目标函数为 =x +y (x ,y 为整数),所以在一组平行直线x +y =t (t 为参数)中,过可行域内的整点且与原点距离最近的直线是x +y =12,其经过的整点是(3,9)和(4,8),它们都是最优解.所以,需分甲、乙两种袋装大米的袋数分别为3,9或4,8可使所用的袋装大米的袋数最少.12.设非负实数x ,y 满足⎩⎪⎨⎪⎧y ≥x -1,2x +y ≤5,(2,1)是目标函数 =ax +3y (a >0)取最大值时的最优解,求a 的取值范围.考点 线性规划中的参数问题 题点 线性规划中的参数问题解 作出不等式组所表示的平面区域(阴影部分含边界),由 =ax +3y (a >0),得y =-a 3x +z3,因为当直线 =ax +3y (a >0)过P (2,1)时, 取最大值,所以由图可知-a3≤-2,所以a ≥6,所以a 的取值范围是[6,+∞).13.已知⎩⎪⎨⎪⎧x -y +2≥0,x +y -4≥0,2x -y -5≤0,求:(1) =x 2+y 2-10y +25的最小值;(2) =2y +1x +1的取值范围.考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求非线性目标函数最值问题综合解 作出可行域如图阴影部分(含边界)所示,A (1,3),B (3,1),C (7,9).(1) =x 2+(y -5)2表示可行域内任一点(x ,y )到点M (0,5)的距离的平方, 过M 作AC 的垂线,易知垂足N 在AC 上, 故|MN |=|0-5+2|1+(-1)2=32=322.∴|MN |2=⎝⎛⎭⎫3222=92,∴ 的最小值为92.(2) =2·y -⎝⎛⎭⎫-12x -(-1)表示可行域内的点(x ,y )与定点Q ⎝⎛⎭⎫-1,-12连线斜率的2倍, ∵ QA =74, QB =38,∴ 的取值范围是⎣⎡⎦⎤34,72. 四、探究与拓展14.已知变量x ,y 满足约束条件⎩⎪⎨⎪⎧x +y ≤1,x -y ≤1,x ≥a ,若x +2y ≥-5恒成立,则实数a 的取值范围为( )A.(-∞,-1]B.[-1,+∞)C.[-1,1]D.[-1,1)考点 线性规划中的参数问题 题点 线性规划中的参数问题 答案 C解析 由题意作出可行域,如图(阴影部分含边界)所示,由图易知a ≤1.x +2y ≥-5恒成立可化为图中的阴影部分恒在直线x +2y =-5的右上方,即点A 在直线x +2y =-5上或其右上方.易知A 点坐标为(a ,a -1),所以a +2(a -1)≥-5,所以实数a 的取值范围为[-1,1].15.若实数x ,y 满足不等式组⎩⎪⎨⎪⎧x +3y -3≤0,x -y +1≥0,y ≥-1,则 =2|x |+y 的最大值为( )A.12B.11C.7D.8考点 非线性目标函数的最值问题 题点 求非线性目标函数最值问题综合 答案 B解析 满足条件的不等式组所表示的平面区域为如图(阴影部分)所示的△ABC 及其内部,其中A (6,-1),B (0,1),C (-2,-1), =2|x |+y 可转化为⎩⎪⎨⎪⎧ x ≥0,z =2x +y 或⎩⎪⎨⎪⎧x <0,z =-2x +y .①当 =2x +y (x ≥0)且目标函数的图象经过点A (6,-1)时, 取得最大值, max =11; ②当 =-2x +y (x <0)且目标函数的图象经过点C (-2,-1)时, 取得最大值, max =3. 综上可知, =2|x |+y 的最大值为11,故选B.。

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