KURS MATURALNY

Zadanie optymalizacyjne krok po kroku: ekran smartfona, matura 2020, poziom rozszerzony, zadanie 15

Tego się dowiesz!

Matura 2020, poziom rozszerzony, zadanie 15 (0–7 pkt)

Należy zaprojektować wymiary prostokątnego ekranu smartfona, tak aby odległości tego ekranu od krótszych brzegów smartfona były równe 0,5 cm każda, a odległości tego ekranu od dłuższych brzegów smartfona były równe 0,3 cm każda (zobacz rysunek – ekran zaznaczono kolorem szarym). Sam ekran ma mieć powierzchnię 60 cm². Wyznacz takie wymiary ekranu smartfona, przy których powierzchnia ekranu wraz z obramowaniem jest najmniejsza.

To zadanie optymalizacyjne, czyli takie, w którym spośród wielu możliwych rozwiązań szukamy najlepszego. Ekran o polu 60 cm² może mieć różne kształty: wąski i długi albo szerszy i krótszy. Za każdym razem obramowanie dokłada trochę powierzchni, ale nie zawsze tyle samo. Szukamy kształtu, przy którym cały smartfon zajmuje jak najmniej miejsca. To zadanie było warte aż 7 punktów, więc przejdę przez nie bardzo dokładnie.

1Najpierw zrozummy, o czym jest zadanie

EkranSzary prostokąt w środku smartfona. Jego pole ma być równe 60 cm².
ObramowaniePasek między ekranem a krawędzią telefonu. Z dwóch stron ma szerokość 0,5 cm, z dwóch pozostałych 0,3 cm.
Krótsze i dłuższe brzegiSmartfon jest prostokątem stojącym pionowo. Krótsze brzegi to góra i dół, dłuższe to lewa i prawa strona.
Powierzchnia ekranu wraz z obramowaniemPole całego smartfona, czyli prostokąta zewnętrznego. To ją mamy zminimalizować.
OptymalizacjaSzukanie wartości najmniejszej albo największej. Zapisujemy wielkość, która nas interesuje, jako funkcję jednej zmiennej i szukamy jej minimum.
PochodnaNarzędzie, które mówi, czy funkcja w danym miejscu rośnie, czy maleje. Tam, gdzie funkcja przestaje maleć i zaczyna rosnąć, ma minimum.

2Plan rozwiązania

1Oznaczamy wymiary ekranu literami i zapisujemy wymiary całego smartfona.
2Z warunku „pole ekranu to 60” wyrażamy jedną zmienną przez drugą.
3Zapisujemy pole smartfona jako funkcję jednej zmiennej i ustalamy jej dziedzinę.
4Liczymy pochodną tej funkcji.
5Szukamy, gdzie pochodna zmienia znak z minusa na plus, czyli gdzie jest minimum.
6Wyznaczamy wymiary ekranu i sprawdzamy, czy pasują do treści.

3Krok 1. Oznaczenia i wymiary smartfona

Niech x będzie szerokością ekranu, a y jego wysokością (w centymetrach). Teraz trzeba ustalić, które marginesy dokładają się do którego wymiaru. To najważniejsze miejsce w całym zadaniu.

0,50,50,30,3x · y = 60xykrótszy brzegdłuższy brzeg
Czerwone marginesy 0,5 cm przy krótszych brzegach dokładają się do wysokości, zielone 0,3 cm przy dłuższych brzegach do szerokości.

Marginesy 0,5 cm są przy krótszych brzegach, czyli na górze i na dole. One wydłużają smartfon w pionie: do wysokości ekranu dochodzi 0,5 cm u góry i 0,5 cm na dole, razem 1 cm. Marginesy 0,3 cm są przy dłuższych brzegach, czyli po lewej i po prawej. One poszerzają smartfon: do szerokości ekranu dochodzi 0,3 cm z każdej strony, razem 0,6 cm.

szerokość smartfona: x + 0,60,3 cm z lewej i 0,3 cm z prawej
wysokość smartfona: y + 10,5 cm u góry i 0,5 cm na dole
Dlaczego tak?Margines przy brzegu jest odległością w kierunku prostopadłym do tego brzegu. Górny brzeg jest poziomy, więc odległość od niego mierzymy w pionie i dokłada się ona do wysokości. Lewy brzeg jest pionowy, więc odległość od niego mierzymy w poziomie i dokłada się do szerokości. Łatwo to pomylić i dodać 0,5 do szerokości, dlatego warto narysować rysunek z podpisanymi marginesami.

4Krok 2. Warunek: pole ekranu to 60 cm²

Pole prostokąta to iloczyn jego boków, więc:

x · y = 60pole ekranu
y = 60xwyrażamy y przez x
Dlaczego tak?Na razie mamy dwie niewiadome, x i y. Żeby szukać minimum, potrzebujemy funkcji jednej zmiennej. Warunek na pole ekranu pozwala wyrazić y przez x i pozbyć się jednej niewiadomej.

5Krok 3. Funkcja pola smartfona i jej dziedzina

Pole całego smartfona to iloczyn jego szerokości i wysokości. Wstawiamy y = 60/x:

P = (x + 0,6)(y + 1)szerokość razy wysokość
P(x) = (x + 0,6)(60x + 1)w miejsce y wstawiamy 60/x
P(x) = x · 60x + x + 0,6 · 60x + 0,6mnożymy nawiasy: każdy z każdym
P(x) = 60 + x + 36x + 0,6x · 60/x = 60, a 0,6 · 60 = 36
P(x) = x + 36x + 60,6porządkujemy

Dziedzina: x jest długością boku ekranu, więc musi być dodatnie. Dla każdego dodatniego x również y = 60/x jest dodatnie, więc wystarczy warunek x > 0.

Szukamy najmniejszej wartości funkcji P(x) = x + 36x + 60,6 dla x > 0.
WażneZa ułożenie funkcji i podanie dziedziny są na maturze osobne punkty. Nie pomijaj zapisu x > 0, nawet jeśli wydaje się oczywisty.

Najpierw intuicja: tabela wartości

Zanim użyjemy pochodnej, sprawdźmy kilka wartości, żeby zobaczyć, że minimum naprawdę istnieje:

szerokość ekranu xwysokość ekranu y = 60/xpole smartfona P(x)
32075,6
41573,6
51272,8
61072,6
87,573,1
10674,2

Gdy ekran jest bardzo wąski albo bardzo szeroki, pole rośnie. Gdzieś pośrodku jest najmniejsza wartość. Tabela podpowiada, że w okolicy x = 6, ale tabela nie jest dowodem, bo nie sprawdzamy wszystkich liczb. Dokładne miejsce minimum wyznaczymy pochodną.

6Krok 4. Pochodna funkcji P

Przepiszmy funkcję tak, żeby łatwo było ją różniczkować: 36x = 36x−1.

Wzory, których używamy
(x)′ = 1,   (c)′ = 0,   (xn)′ = n · xn − 1

Pochodna stałej to zero, pochodna x to 1, a pochodną potęgi liczymy, mnożąc przez wykładnik i zmniejszając wykładnik o 1.

(36x−1)′ = 36 · (−1) · x−2 = −36x2wzór na pochodną potęgi
(60,6)′ = 0pochodna stałej
P′(x) = 1 − 36x2dodajemy pochodne wszystkich składników
Dlaczego tak?Pochodna mówi, jak szybko i w którą stronę zmienia się funkcja. Jeśli pochodna jest ujemna, funkcja maleje. Jeśli dodatnia, funkcja rośnie. W punkcie, w którym funkcja przestaje maleć i zaczyna rosnąć, pochodna jest równa zeru, a funkcja osiąga minimum.

7Krok 5. Gdzie jest minimum

P′(x) = 0
1 − 36x2 = 0
36x2 = 1
x2 = 36mnożymy przez x²
x = 6x > 0, więc odrzucamy x = −6

Samo miejsce zerowe pochodnej to jeszcze nie dowód, że jest tam minimum. Sprawdzamy znak pochodnej po obu stronach x = 6:

x(0, 6)6(6, +∞)
znak P′(x)−0+
funkcja Pmaleje ↘minimumrośnie ↗

Na przykład dla x = 3 mamy P′(3) = 1 − 36/9 = −3 < 0, a dla x = 10 mamy P′(10) = 1 − 36/100 = 0,64 > 0. Funkcja najpierw maleje, potem rośnie, więc w x = 6 osiąga najmniejszą wartość.

707274767880828486024681012minimum: x = 6, P = 72,6x [cm]P [cm²]
Pole smartfona w zależności od szerokości ekranu x. Najniższy punkt wykresu to x = 6.

Zadania optymalizacyjne, pochodna i badanie monotoniczności funkcji to tematy, które na maturze rozszerzonej dają dużo punktów. W moim kursie „Matematyka od podstaw do matury” zaczynamy od narzędzi, na których te zadania stoją: ułamków, potęg, funkcji i wzorów, a potem przechodzimy przez cały materiał krok po kroku.

Zobacz kurs na Udemy

8Krok 6. Wymiary ekranu i sprawdzenie

x = 6szerokość ekranu
y = 606 = 10wysokość ekranu
smartfon: 6,6 cm × 11 cmx + 0,6 oraz y + 1
P(6) = 6 + 6 + 60,6 = 72,6 cm²najmniejsze pole smartfona
ekran 6 cm × 10 cm

Sprawdźmy jeszcze, czy wynik pasuje do treści. Założyliśmy, że górny i dolny brzeg są krótsze. Rzeczywiście: szerokość smartfona 6,6 cm jest mniejsza od wysokości 11 cm, więc krótszymi brzegami są góra i dół, a marginesy 0,5 cm są przy nich. Wszystko się zgadza.

9Ciekawostka: rozwiązanie bez pochodnej

Minimum wyrażenia x + 36/x można znaleźć też bez pochodnej, korzystając z nierówności między średnią arytmetyczną a geometryczną: dla dodatnich liczb a i b zachodzi a + b ≥ 2√(ab). Dla a = x i b = 36/x dostajemy x + 36/x ≥ 2√36 = 12, a równość zachodzi, gdy x = 36/x, czyli x = 6. Na maturze rozszerzonej oba sposoby są poprawne, ale przy zadaniach optymalizacyjnych najczęściej oczekuje się pochodnej, bo działa zawsze, także dla bardziej skomplikowanych funkcji.

10Najczęstsze błędy w tym zadaniu

Pierwszy błąd to dodanie marginesów do złych wymiarów, czyli 0,5 cm do szerokości i 0,3 cm do wysokości. Drugi to dodanie tylko jednego marginesu zamiast dwóch, na przykład y + 0,5 zamiast y + 1. Trzeci to pomyłka przy mnożeniu nawiasów, zwłaszcza zgubienie wyrazu 0,6 · 60/x = 36/x. Czwarty to brak dziedziny albo brak sprawdzenia, że w x = 6 jest minimum, a nie maksimum. Piąty to podanie wymiarów całego smartfona (6,6 × 11) zamiast wymiarów ekranu, o które pyta zadanie.

11Jak zapisać to rozwiązanie na maturze

1. x, y – wymiary ekranu, xy = 60, więc y = 60/x, x > 0.

2. Wymiary smartfona: x + 0,6 oraz y + 1.

3. P(x) = (x + 0,6)(60/x + 1) = x + 36/x + 60,6, dla x > 0.

4. P′(x) = 1 − 36/x², P′(x) = 0 ⇔ x = 6.

5. P′(x) < 0 dla x ∈ (0, 6), P′(x) > 0 dla x ∈ (6, +∞), więc w x = 6 funkcja P osiąga minimum.

6. y = 60/6 = 10.

Odpowiedź: ekran powinien mieć wymiary 6 cm × 10 cm.

Za to zadanie można było dostać 7 punktów. Punkty są przyznawane osobno za ułożenie funkcji, dziedzinę, pochodną, wyznaczenie miejsca zerowego pochodnej, uzasadnienie minimum i podanie wymiarów. Dlatego każdy z tych kroków warto zapisać wprost, nawet jeśli wydaje się oczywisty.

Funkcje i zadania optymalizacyjne krok po kroku

To zadanie łączy układanie funkcji z treści, działania na ułamkach algebraicznych i pochodną. W kursie wideo „Matematyka od podstaw do matury” każde z tych narzędzi ma osobną lekcję, a potem ćwiczysz je na zadaniach maturalnych rozwiązywanych krok po kroku. Rozwiązania zadań z matur znajdziesz też za darmo na moim kanale Po prostu Licz.

Powiązane tematy

Kurs wideo krok po krokuMatematyka od podstaw do matury

Facebook
Pinterest
Twitter
LinkedIn

KURS MATURALNY

Uczysz się do matury z matematyki?

Jeśli ten wpis Ci pomógł, ale masz w głowie:

„okej, ten temat ogarniam… ale co z całą resztą?”

to właśnie po to stworzyłam mój kurs maturalny.

Nie musisz skakać po przypadkowych filmach, wpisach i zadaniach ani zastanawiać się, czego uczyć się najpierw.

W kursie przechodzimy przez wszystko krok po kroku:

Najpierw Narzędziownia – czyli podstawy, na których najczęściej wykładają się zadania: ułamki, potęgi, pierwiastki, procenty, logarytmy i inne rzeczy, które „niby były”, ale jakoś nie chcą zostać w głowie.

Potem zadania maturalne – dział po dziale, dokładnie w takim stylu, jaki spotkasz na maturze.

Na końcu arkusze CKE – żebyś nie tylko znał/a teorię, ale umiał/a faktycznie usiąść do arkusza i liczyć.

Ty liczysz. Ja pilnuję, żeby to miało kolejność. 😎

Schemat jest prosty i brutalnie skuteczny:

zrozumienie → praktyka → powtórka → utrwalenie.

Zaczynasz od zera

3–4 miesiące

Masz już podstawy

4–6 tygodni