师:同学们好。上节课,王老师带大家学习了4.1节二元一次不等式组与平面区域,相信大家收获颇丰。本节课,我们将共同学习4.2节简单线性规划。首先,我们来复习相关问题。
二元一次不等式表示什么图形和平面区域呢?请大家画出5X + 6Y ≤ 30表示的平面区域。第一步,画出平面直角坐标系;第二步,画出直线方程5X + 6Y = 30,其横截距为6,纵截距为5 。因为满足该不等式,所以区域在直线的左下方。
接着看问题,二元一次不等式组表示什么图形?请画出5X + 6y ≤ 30,y ≤ 3x,y ≥ 1表示的平面区域。
由昨天的学习可知,每个不等式的解集都可表示一个平面区域,满足不等式组的解集则表示这些平面区域的公共区域,注意是否包含边界直线。接下来,我们画出这个不等式组对应的平面区域。
第一步,直线5X + 6Y = 30,区域在直线左下方;第二条直线y = 3x,将(6,0)点代入,0 ≤ 18,满足不等式,所以区域在直线右下方;第三条直线y = 1,区域在直线上方。三个平面区域取公共部分,得到如图所示的三角形平面区域。
问题3:设x,y满足不等式组5X + 6y ≤ 30,y ≤ 3x,y ≥ 1,求z = 2X + y的最小值和最大值。这个问题是在前面问题的基础上提出的,也是我们这节课要学习的内容。
设x,y满足不等式组,求z = 2X + y的最值。回想我们之前在必修一学习过求函数的最值,要求函数f(X)的最值,需先确定自变量X的取值范围,即定义域。
那么这道题中,要想求z的最值,x和y的范围是什么呢?问题1:z = 2X + y中的x,y对应的点(x,y)必须满足什么条件?题目第一句话就告诉我们,x,y满足不等式组,而这个不等式组表示的平面区域我们之前已画出,是三角形ABC,也就是说,题中的x,y对应的点应在三角形平面区域中。
了解这个问题后,我们知道该问题可转化为:当点(x,y)在公共平面区域中时,求z = 2X + y的最小值和最大值。
了解问题实质后,接下来讨论当点(x,y)在整个坐标平面上变化时,z = 2X + y值的变化规律。我们可以先从z取不同数值下手研究,比如当z = -3、 -1、0、2、4时,对应5条不同的直线,我们将这五条直线画在平面直角坐标系中。
第一条直线2X + y = -3,横截距 -3/2,纵截距 -3;第二条直线2X + y = -1,横截距 -1/2,纵截距 -1;第三条直线2X + y = 0;第四条直线2X + y = 2,横截距1,纵截距2;第五条直线2X + y = 4,横截距2,纵截距4。
观察这五条直线,我们发现它们相互平行,且z的变化规律是自下而上,z逐渐增大;自上而下,z逐渐减小。也就是说,如果我们平移L?(2X + y = 0这条直线),直线向上平移,z增大;向下平移,z减小。
知道z的变化规律后,如何根据z的变化特点求最值呢?因为直线向上平移z增大,且z = 2X + y中的x,y需满足在三角形区域中,所以我们将L?放置在平面直角坐标系中,发现它在三角形区域下方,只有向上平移才会和三角形区域有公共点。又因为向上平移z逐渐增大,所以在动态过程中,z向上平移先交于顶点B,最后相交于顶点C。因此,z在B点处有最小值,在C点处有最大值。
确定z取最值的位置后,接下来求B、C两点的坐标。从图上看,B点是直线y = 3x与y = 1的交点,C点是直线5x + 6Y = 30和y = 1的交点。交点坐标可通过解方程组得到。
解方程组$\begin{cases}y = 3x\y = 1\end{cases}$,求得B点坐标为$(\frac{1}{3},1)$,将B点坐标代入z = 2X + y中,求出z最小值为$2\times\frac{1}{3} + 1 = \frac{5}{3}$。
解方程组$\begin{cases}5X + 6Y = 30\y = 1\end{cases}$,求得C点坐标为$(\frac{24}{5},1)$,将C点坐标代入z = 2X + y中,求出z最大值为$2\times\frac{24}{5} + 1 = \frac{53}{5}$。
回忆这题的解决过程:首先画出二元一次不等式组表示的平面区域,注意实线虚线;第二步,当z取不同数值时,在平面坐标系内画出对应的直线,观察出向上平移z增大,向下平移z减小的规律,平移其中一条直线与平面区域相交,找到在B处z最小,在C处z最大;第三步,解方程组求出最优解;第四步,将最优解代入目标函数做出答案。
通过这道例题,我们学习了新的解题步骤,还学习了一些新的数学知识。在这个实例中,如果x,y满足一次不等式组,求关于x,y二元一次线性函数的最小值和最大值。在这里,我们称关于x,y的二元一次线性函数z = 2X + y为目标函数,称不等式组为约束条件。目标函数在约束条件下求最小值或最大值的问题,叫做二元线性规划问题,这就是我们这节课的课题——简单线性规划。其中,满足约束条件的解(x,y)称为可行解,由所有可行解组成的区域称为可行域。
在这个实例中,可行域是三角形ABC,可行解B点$(\frac{1}{3},1)$和C点$(\frac{24}{5},1)$分别使目标函数z有最小值和最大值,我们称B点和C点为最优解。
