Оптимальный маршрут
Содержание
Оптимальный маршрут (Задание 17)
Часть пути идёт по воде, часть - по берегу; часть кабеля лежит по дну, часть - вдоль берега. Скорости (или цены) на двух участках разные, поэтому прямая линия перестаёт быть выгодной: короче не значит быстрее. Задание 17 просит выбрать точку перехода из одной среды в другую и обосновать выбор.
Модель: два участка с разной ценой
Ловушка темы: минимум бывает на границе
Формула для даёт число, но точка перехода обязана лежать на отрезке . Если , критической точки внутри отрезка нет - и весь маршрут идёт по первой среде, прямо из в .
Родственный сюжет: две точки по одну сторону
Иногда обе точки лежат вне прямой, и оба слагаемых оказываются с корнем: газопровод и две деревни, дорога и два посёлка, одна насосная станция на два дома.
Алгоритм
Примеры решения
Условие: Рыбак находится на лодке в точке на озере, в км от прямого берега; - ближайшая к лодке точка берега. Ему нужно попасть в посёлок , стоящий на берегу в км от точки . Рыбак гребёт со скоростью км/ч, а по берегу идёт пешком со скоростью км/ч. В какой точке берега ему следует причалить, чтобы добраться до посёлка за наименьшее время, и сколько времени займёт весь путь?
Составляем функцию
Пусть лодка причаливает в точке берега на расстоянии км от в сторону посёлка, где . Треугольник прямоугольный, поэтому путь по воде равен км, а путь по берегу равен км:
Находим производную
При обе части неотрицательны, поэтому возводим в квадрат:
Корень лежит внутри отрезка .
Обосновываем минимум
, а . Других корней на отрезке нет, значит производная меняет знак с минуса на плюс: функция убывает на и возрастает на , и - точка минимума.
Считаем время
Крайние варианты хуже: плыть прямо в посёлок - ч; грести к и идти пешком - ч.
Интерпретация. Причаливать нужно не напротив лодки и не у самого посёлка, а в км от : тогда по воде выходит ровно км и по берегу км, а весь путь занимает часа.
Ответ: причалить в км от в сторону посёлка; наименьшее время в пути часа.
Условие: Две деревни расположены по одну сторону от прямого участка магистрального газопровода на расстояниях км и км от него. Расстояние между основаниями перпендикуляров и , опущенных из деревень на газопровод, равно км. На газопроводе нужно поставить один распределительный пункт и провести от него прямые отводы к обеим деревням. На каком расстоянии от точки следует поставить пункт, чтобы суммарная длина отводов была наименьшей, и чему равна эта длина?
Составляем функцию
Обозначим деревни (в км от газопровода) и (в км), а распределительный пункт - ; пусть , где , тогда . Из прямоугольных треугольников и :
Находим производную
Приравниваем к нулю. Обе части равенства неотрицательны при , поэтому возводим в квадрат и упрощаем:
Извлекая корень (обе скобки неотрицательны), получаем , то есть и .
Обосновываем минимум
Первое слагаемое возрастает, второе убывает при росте , поэтому разность строго возрастает и меняет знак ровно один раз - с минуса на плюс. Значит - точка минимума.
Считаем длину
На концах отрезка больше: км, км.
Интерпретация. Пункт ставят в км от : тогда оба отвода одинаково наклонены к газопроводу (катеты и , катеты и ), отвод к первой деревне равен км, ко второй - км, а всего требуется км трубы. Приём отражения даёт ту же длину мгновенно: .
Ответ: в км от точки ; наименьшая суммарная длина отводов км.
Условие: Морская буровая платформа находится в км от прямой линии берега; - ближайшая к платформе точка берега. Береговая подстанция расположена на берегу в км от точки . Кабель ведут от платформы по дну до некоторой точки берега, а дальше - вдоль берега до подстанции. Прокладка одного километра кабеля по дну стоит млн рублей, вдоль берега - млн рублей. Какую наименьшую сумму нужно потратить на прокладку кабеля?
Составляем функцию стоимости
Пусть - точка берега на расстоянии км от в сторону подстанции, где . Тогда по дну проложено км кабеля, а вдоль берега - км. Стоимость в миллионах рублей:
Исследуем знак производной
Так как , на всём отрезке производная отрицательна: функция строго убывает.
Берём конец отрезка
Наименьшее значение убывающей функции - на правом конце:
Для сравнения: млн рублей.
Интерпретация. «Экономить» на дорогом подводном участке при таком расположении объектов невыгодно: точки минимума внутри отрезка нет вовсе. Кабель ведут по дну прямо к подстанции, его длина км, а стоимость прокладки млн рублей.
Ответ: млн рублей (кабель длиной км ведут по дну сразу к подстанции).
Как оформить решение на 2 балла
Критерии ФИПИ: балла - обоснованно получен верный ответ; балл - последовательность всех шагов верна, но допущена вычислительная ошибка; - в остальных случаях. Чертёж эксперт не требует, но текст обязан содержать шесть вещей.
- Переменная: «пусть км - расстояние от до точки причаливания».
- Функция одной переменной с подставленными числами: .
- Область: отрезок , прочитанный с чертежа.
- Производная и уравнение, причём перед возведением в квадрат сказано, что обе части неотрицательны.
- Обоснование: корень принадлежит отрезку и знаки производной по обе стороны от него названы. Если корня в отрезке нет - написано, что производная сохраняет знак, и назван конец.
- Ответ в терминах задачи: где именно ставить точку перехода и чему равно наименьшее время (или стоимость), с единицами.
Частые ошибки
- Точка в км от берега, посёлок на берегу в км от основания перпендикуляра. Скорость по воде , по берегу . Чему равно время пути с причаливанием в км от ?
- Чему равна производная ?
- Корень уравнения оказался больше . Что это значит?
- Почему точка (причалить прямо напротив лодки) никогда не бывает оптимальной?
- Что даёт приём отражения в задаче о двух деревнях по одну сторону от прямой?