Sposób 1.
Przyjmujemy następujące oznaczenia:
𝑥– długość krawędzi podstawy zbiornika (w metrach),
ℎ – wysokość zbiornika (w metrach).
144
Pojemność zbiornika ma wynosić 144 m3, więc 144 = 𝑥 2 ⋅ ℎ. Stąd ℎ = .
𝑥2
Koszt 𝑓 wykonania zbiornika jest równy 𝑓 = 100𝑥 2 + 75 ⋅ 4𝑥ℎ, więc
144
𝑓(𝑥) = 100𝑥 2 + 4𝑥 ⋅ ⋅ 75,
𝑥2
gdzie 𝑥 ∈ [4, 9].
Obliczamy pochodną funkcji 𝑓 :
43200
𝑓 ′ (𝑥) = 200𝑥 −
𝑥2
Miejscem zerowym pochodnej funkcji 𝑓 jest 𝑥 = 6.
Badamy monotoniczność funkcji 𝑓 :
𝑓 ′ (𝑥) > 0 dla 𝑥 ∈ (6, 9),
𝑓 ′ (𝑥) < 0 dla 𝑥 ∈ (4, 6).
Zatem
funkcja 𝑓 jest malejąca w przedziale 𝑥 ∈ [4, 6],
funkcja 𝑓 jest rosnąca w przedziale 𝑥 ∈ [6, 9].
Stąd funkcja 𝑓 przyjmuje najmniejszą wartość dla argumentu 6. Wtedy ℎ = 4.
Wymiary zbiornika dla którego koszt wykonania jest najmniejszy: 6 m x 6 m x 4 m.
Sposób 2.
Przyjmujemy następujące oznaczenia:
𝑥 – długość krawędzi podstawy zbiornika (w metrach),
ℎ – wysokość zbiornika (w metrach).
144
Pojemność zbiornika ma wynosić 144 m3, więc 144 = 𝑥 2 ⋅ ℎ. Stąd 𝑥 = √ .
ℎ
2
Koszt 𝑓 wykonania zbiornika jest równy 𝑓 = 100𝑥 + 75 ⋅ 4𝑥ℎ, więc
144 144
𝑓(ℎ) = 100 ∙ + 4ℎ ⋅ √ ⋅ 75,
ℎ ℎ
16
gdzie ℎ ∈ [ , 9].
9
Obliczamy pochodną funkcji 𝑓 :
14400 3600 14400 1800
𝑓 ′ (ℎ) = −2
+ =− +
ℎ 2√ℎ ℎ2 √ℎ
Miejscem zerowym pochodnej funkcji 𝑓 jest ℎ = 4.
Badamy monotoniczność funkcji 𝑓 :
𝑓 ′ (ℎ) > 0 dla ℎ ∈ (4, 9),
16
𝑓 ′ (ℎ) < 0 dla ℎ ∈ ( 9 , 4).
Zatem
16
funkcja 𝑓 jest malejąca w przedziale ℎ ∈ [ 9 , 4],
funkcja 𝑓 jest rosnąca w przedziale ℎ ∈ [4, 9].
Stąd funkcja 𝑓 przyjmuje najmniejszą wartość dla argumentu ℎ = 4. Wtedy 𝑥 = 6.
Wymiary zbiornika, dla których koszt wykonania jest najmniejszy: 6 m x 6 m x 4 m.Odpowiedź i kryteria punktowania pochodzą z oficjalnych zasad oceniania CKE.
Punktowanie: Rozwiązanie zadania optymalizacyjnego składa się z trzech etapów:
- zbudowanie modelu opisującego sytuację podaną w zadaniu
- zbadanie modelu i jego własności
- przeprowadzenie końcowych obliczeń.
Pierwszy etap składa się z trzech kroków.
Krok pierwszy: przyjęcie jednego z wymiarów zbiornika (𝑥 – długość krawędzi podstawy
zbiornika, ℎ – wysokość zbiornika) za zmienną badanej funkcji i obliczenie drugiego wymiaru
zbiornika:
144
ℎ=
𝑥2
lub
144
𝑥=√
ℎ
Krok drugi: zapisanie funkcji kosztu wykonania 𝑓 zbiornika za pomocą jednej zmiennej:
144
𝑓(𝑥) = 100𝑥 2 + 4𝑥 ⋅ ⋅ 75
𝑥2
lub
144 144
𝑓(ℎ) = 100 ⋅ +4⋅√ ⋅ ℎ ⋅ 75
ℎ ℎ
16
Krok trzeci: ustalenie dziedziny funkcji 𝑓 : 𝐷𝑥 = [4, 9] lub 𝐷ℎ = [ , 9].
9
Drugi etap składa się z trzech kroków.
Krok pierwszy: wyznaczenie pochodnej funkcji 𝑓 :
43200 216
𝑓 ′ (𝑥) = 200𝑥 − = 200 (𝑥 − )
𝑥2 𝑥2
lub
14400 1800
𝑓 ′ (ℎ) = − +
ℎ2 √ℎ
Krok drugi: zastosowanie warunku koniecznego istnienia ekstremum funkcji 𝑓 – obliczenie
miejsc zerowych pochodnej: 𝑥 = 6 (lub ℎ = 4)
Krok trzeci: zbadanie znaku pochodnej funkcji 𝑓 :
𝑓 ′ (𝑥) > 0 dla 𝑥 ∈ (6, 9),
𝑓 ′ (𝑥) < 0 dla 𝑥 ∈ (4, 6)
lub
𝑓 ′ (ℎ) > 0 dla ℎ ∈ (4, 9),
16
𝑓 ′ (ℎ) < 0 dla ℎ ∈ ( 9 , 4)
oraz wyznaczenie (z uzasadnieniem) wartości zmiennej 𝑥 (lub zmiennej ℎ), dla której
funkcja 𝑓 przyjmuje wartość najmniejszą, np.:
funkcja 𝑓 zmiennej 𝑥 (określona na przedziale [4, 9]) jest malejąca w przedziale [4, 6]
oraz rosnąca w przedziale [6, 9], więc w punkcie 𝑥 = 6 funkcja 𝑓 osiąga najmniejszą
wartość.
LUB
16 16
funkcja 𝑓 zmiennej ℎ (określona na przedziale [ , 9])jest malejąca w przedziale [ 9 , 4]
9
oraz rosnąca w przedziale [4, 9], więc w punkcie ℎ = 4 funkcja 𝑓 osiąga najmniejszą
wartość.
Za poprawne wykonanie każdego z tych kroków zdający otrzymuje 1 punkt, o ile poprzednie
kroki też były wykonane poprawnie.
Etap trzeci polega na obliczeniu wymiarów zbiornika, przy których koszt wykonania zbiornika
jest najmniejszy:
𝑥 = 6, ℎ = 4.
Za poprawne wykonanie trzeciego etapu zdający otrzymuje 1 punkt.
Uwagi:
1. Badanie znaku pochodnej zdający może opisać w inny sposób, np. szkicując wykres funkcji,
która w ten sam sposób jak pochodna zmienia znak.
2. Za poprawne uzasadnienie, że rozważana funkcja posiada wartość najmniejszą
dla wyznaczonej wartości 𝑥 (czy też ℎ), przy której pochodna się zeruje, można uznać
sytuacje, gdy zdający:
a) opisuje słownie lub graficznie (np. przy użyciu strzałek) monotoniczność funkcji 𝑓 ;
LUB
b) zapisuje, że dla wyznaczonej wartości 𝑥 (czy też ℎ) funkcja 𝑓 ma minimum lokalne
i jest to jednocześnie jej najmniejsza wartość.
Jeżeli zdający nie przedstawi takiego uzasadnienia, to za II etap może otrzymać co
najwyżej 2 punkty.
3. Jeżeli zdający wyznacza metodą prób i błędów wymiary zbiornika, przy których koszt
wykonania zbiornika będzie najmniejszy, to otrzymuje 0 punktów za II i III etap..
𝑏
4. Jeżeli zdający rozpatruje funkcję kosztów postaci 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥 2 + (gdzie 𝑎 > 0, 𝑏 > 0),
𝑥
nie uwzględniając wszystkich ścian bocznych lub uwzględniając dwie podstawy, to może
otrzymać co najwyżej 5 punktów za całe rozwiązanie (nie otrzymuje punktów za drugi krok
pierwszego etapu oraz za trzeci etap).
5. Jeżeli zdający rozpatruje funkcję pola zamiast funkcji kosztów, to może otrzymać co
najwyżej 5 punktów za całe rozwiązanie (nie otrzymuje punktów za drugi krok pierwszego
𝑏
etapu oraz za trzeci etap). Jeżeli zdający rozpatruje funkcję pola postaci 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥 2 +
𝑥
(gdzie 𝑎 > 0, 𝑏 > 0), nie uwzględniając wszystkich ścian bocznych lub uwzględniając dwie
podstawy, to może otrzymać co najwyżej 4 punkty za całe rozwiązanie (nie otrzymuje
punktów za drugi krok pierwszego etapu, trzeci krok drugiego etapu oraz za trzeci etap).
6. Jeżeli zdający uzasadnia istnienie najmniejszej wartości funkcji kosztów w zbiorze 𝑅\{0} ,
to nie otrzymuje punktu za trzeci krok drugiego etapu.