Найдите прямоугольник максимальной площади, вписанный в график параболы y = 4 - x^2 и ось Ox; опишите метод оптимизации, исследование экстремума и обоснуйте, что найденный экстремум глобален
Рассмотрим симметричный прямоугольник с основанием на оси OxOxOx и верхней стороной на кривой y=4−x2y=4-x^2y=4−x2. Пусть правая верхняя вершина имеет абсциссу x≥0x\ge0x≥0. Тогда - ширина прямоугольника =2x=2x=2x, - высота =4−x2=4-x^2=4−x2, - функция площади A(x)=2x(4−x2)=8x−2x3,x∈[0,2]\displaystyle A(x)=2x(4-x^2)=8x-2x^3,\quad x\in[0,2]A(x)=2x(4−x2)=8x−2x3,x∈[0,2] (границы от пересечений параболы с осью OxOxOx при x=±2x=\pm2x=±2). Найдём экстремум методом дифференцирования: A′(x)=8−6x2.
A'(x)=8-6x^2. A′(x)=8−6x2.
Решая A′(x)=0A'(x)=0A′(x)=0 получаем x2=43x^2=\tfrac{4}{3}x2=34, т.е. x=23x=\tfrac{2}{\sqrt3}x=32 (берём положительное значение). Вторая производная A′′(x)=−12x,
A''(x)=-12x, A′′(x)=−12x,
при x=23x=\tfrac{2}{\sqrt3}x=32 равна A′′=−243<0A''=-\tfrac{24}{\sqrt3}<0A′′=−324<0, значит это локальный максимум. Проверка на глобальность: A(x)A(x)A(x) непрерывна на замкнутом отрезке [0,2][0,2][0,2], поэтому достигает максимума. На концах A(0)=A(2)=0A(0)=A(2)=0A(0)=A(2)=0, а в критической точке Amax=A (23)=2⋅23(4−43)=3233=3239,
A_{\max}=A\!\left(\tfrac{2}{\sqrt3}\right)=2\cdot\tfrac{2}{\sqrt3}\Big(4-\tfrac{4}{3}\Big)=\tfrac{32}{3\sqrt3}=\tfrac{32\sqrt3}{9}, Amax=A(32)=2⋅32(4−34)=3332=9323,
следовательно это и есть глобальный максимум. Итог: максимальная площадь 3233=3239\displaystyle \frac{32}{3\sqrt3}=\frac{32\sqrt3}{9}3332=9323. Соответствующий прямоугольник имеет абсциссы вершин −23-\tfrac{2}{\sqrt3}−32 и 23\tfrac{2}{\sqrt3}32 и высоту 4−43=83\displaystyle 4-\tfrac{4}{3}=\tfrac{8}{3}4−34=38.
- ширина прямоугольника =2x=2x=2x,
- высота =4−x2=4-x^2=4−x2,
- функция площади A(x)=2x(4−x2)=8x−2x3,x∈[0,2]\displaystyle A(x)=2x(4-x^2)=8x-2x^3,\quad x\in[0,2]A(x)=2x(4−x2)=8x−2x3,x∈[0,2] (границы от пересечений параболы с осью OxOxOx при x=±2x=\pm2x=±2).
Найдём экстремум методом дифференцирования:
A′(x)=8−6x2. A'(x)=8-6x^2.
A′(x)=8−6x2. Решая A′(x)=0A'(x)=0A′(x)=0 получаем x2=43x^2=\tfrac{4}{3}x2=34 , т.е. x=23x=\tfrac{2}{\sqrt3}x=3 2 (берём положительное значение). Вторая производная
A′′(x)=−12x, A''(x)=-12x,
A′′(x)=−12x, при x=23x=\tfrac{2}{\sqrt3}x=3 2 равна A′′=−243<0A''=-\tfrac{24}{\sqrt3}<0A′′=−3 24 <0, значит это локальный максимум.
Проверка на глобальность: A(x)A(x)A(x) непрерывна на замкнутом отрезке [0,2][0,2][0,2], поэтому достигает максимума. На концах A(0)=A(2)=0A(0)=A(2)=0A(0)=A(2)=0, а в критической точке
Amax=A (23)=2⋅23(4−43)=3233=3239, A_{\max}=A\!\left(\tfrac{2}{\sqrt3}\right)=2\cdot\tfrac{2}{\sqrt3}\Big(4-\tfrac{4}{3}\Big)=\tfrac{32}{3\sqrt3}=\tfrac{32\sqrt3}{9},
Amax =A(3 2 )=2⋅3 2 (4−34 )=33 32 =9323 , следовательно это и есть глобальный максимум.
Итог: максимальная площадь 3233=3239\displaystyle \frac{32}{3\sqrt3}=\frac{32\sqrt3}{9}33 32 =9323 . Соответствующий прямоугольник имеет абсциссы вершин −23-\tfrac{2}{\sqrt3}−3 2 и 23\tfrac{2}{\sqrt3}3 2 и высоту 4−43=83\displaystyle 4-\tfrac{4}{3}=\tfrac{8}{3}4−34 =38 .