Исследуйте задачу оптимизации: из куска проволоки длины L требуется сформировать прямоугольник и вписанную в него окружность (окружность касается всех четырех сторон). Как распределить проволоку между сторонах прямоугольника и окружностью, чтобы максимизировать суммарную площадь фигуры (площади прямоугольника и круга)? Обоснуйте выбор переменных и применяемый метод оптимизации
Переменные и условие. Пусть стороны прямоугольника x,yx,yx,y, радиус вписанной окружности rrr. Для того чтобы окружность касалась всех четырёх сторон, необходимо x=2r, y=2rx=2r,\;y=2rx=2r,y=2r (т. е. прямоугольник — квадрат). Ограничение по длине проволоки: 2(x+y)+2πr=L ⇒ 2(2r+2r)+2πr=L ⇒ (8+2π)r=L.
2(x+y)+2\pi r=L \;\Rightarrow\; 2(2r+2r)+2\pi r=L \;\Rightarrow\; (8+2\pi)r=L. 2(x+y)+2πr=L⇒2(2r+2r)+2πr=L⇒(8+2π)r=L.
Отсюда r=L8+2π=L2(4+π).
r=\frac{L}{8+2\pi}=\frac{L}{2(4+\pi)}. r=8+2πL=2(4+π)L. Площади: Aпрям=xy=(2r)2=4r2,Aокр=πr2,
A_{\text{прям}}=xy=(2r)^2=4r^2,\qquad A_{\text{окр}}=\pi r^2, Aпрям=xy=(2r)2=4r2,Aокр=πr2,
суммарная площадь A=(4+π)r2.
A=(4+\pi)r^2. A=(4+π)r2.
Подставляя rrr, A=(4+π)(L8+2π)2=L24(4+π).
A=(4+\pi)\left(\frac{L}{8+2\pi}\right)^2=\frac{L^2}{4(4+\pi)}. A=(4+π)(8+2πL)2=4(4+π)L2. Распределение проволоки: Pпрям=2(x+y)=8r=4L4+π,Cокр=2πr=πL4+π,
P_{\text{прям}}=2(x+y)=8r=\frac{4L}{4+\pi},\qquad C_{\text{окр}}=2\pi r=\frac{\pi L}{4+\pi}, Pпрям=2(x+y)=8r=4+π4L,Cокр=2πr=4+ππL,
т. е. деление по длине в отношении 4:π4:\pi4:π. Метод. Выбраны геометрические переменные, применено условие касания (вынуждено x=yx=yx=y), затем подставлением сокращённая задача сведена к единственной переменной rrr. Поскольку ограничение линейно задаёт rrr, решение единственно; при необходимости можно было бы проверить экстремум дифференцированием функции A(r)A(r)A(r).
Ограничение по длине проволоки:
2(x+y)+2πr=L ⇒ 2(2r+2r)+2πr=L ⇒ (8+2π)r=L. 2(x+y)+2\pi r=L \;\Rightarrow\; 2(2r+2r)+2\pi r=L \;\Rightarrow\; (8+2\pi)r=L.
2(x+y)+2πr=L⇒2(2r+2r)+2πr=L⇒(8+2π)r=L. Отсюда
r=L8+2π=L2(4+π). r=\frac{L}{8+2\pi}=\frac{L}{2(4+\pi)}.
r=8+2πL =2(4+π)L .
Площади:
Aпрям=xy=(2r)2=4r2,Aокр=πr2, A_{\text{прям}}=xy=(2r)^2=4r^2,\qquad A_{\text{окр}}=\pi r^2,
Aпрям =xy=(2r)2=4r2,Aокр =πr2, суммарная площадь
A=(4+π)r2. A=(4+\pi)r^2.
A=(4+π)r2. Подставляя rrr,
A=(4+π)(L8+2π)2=L24(4+π). A=(4+\pi)\left(\frac{L}{8+2\pi}\right)^2=\frac{L^2}{4(4+\pi)}.
A=(4+π)(8+2πL )2=4(4+π)L2 .
Распределение проволоки:
Pпрям=2(x+y)=8r=4L4+π,Cокр=2πr=πL4+π, P_{\text{прям}}=2(x+y)=8r=\frac{4L}{4+\pi},\qquad C_{\text{окр}}=2\pi r=\frac{\pi L}{4+\pi},
Pпрям =2(x+y)=8r=4+π4L ,Cокр =2πr=4+ππL , т. е. деление по длине в отношении 4:π4:\pi4:π.
Метод. Выбраны геометрические переменные, применено условие касания (вынуждено x=yx=yx=y), затем подставлением сокращённая задача сведена к единственной переменной rrr. Поскольку ограничение линейно задаёт rrr, решение единственно; при необходимости можно было бы проверить экстремум дифференцированием функции A(r)A(r)A(r).