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附加数学 · 线性规划

在顶点上检验目标函数

区域已经画好,可是选哪一个点还是靠猜。

有了可行区域之后,把目标函数在每个顶点的值都算出来再比较。值最大的顶点给出最大值,值最小的顶点给出最小值。

这一课接在画出可行区域之后,属于线性规划的第三个技能。

每个顶点要做什么?

先把顶点列成表。再把每一对 (x, y) 代入目标函数,记下结果。最后从表里读出最大和最小。

例题:一个最大值和一个最小值

可行区域由 x + y ≤ 10、x ≤ 6、y ≥ 2 和 x ≥ 0 决定,利润是 P = 4x + 3y。求 P 的最大值和最小值。

先找顶点:

  • y = 2 与 x = 0:(0, 2)。
  • y = 2 与 x = 6:(6, 2)。
  • x = 6 与 x + y = 10:(6, 4)。
  • x = 0 与 x + y = 10:(0, 10)。

再逐一代入:

顶点 (x, y) 4x + 3y P
(0, 2) 0 + 6 6
(6, 2) 24 + 6 30
(6, 4) 24 + 12 36
(0, 10) 0 + 30 30

最大值是 36,出现在 (6, 4),最小值是 6,出现在 (0, 2)。

两个顶点得到相同的值

把利润改成 P = 3x + 3y,四个值变成 6、24、30、30。顶点 (6, 4) 和 (0, 10) 都得 30。

这表示 x + y = 10 这条边上,两点之间的每一个点都得 30。如果题目要求整数,(6, 4)、(5, 5)、(4, 6) 等等都是最大值的解。

最容易丢分的地方

第一种错误是代入了不是顶点的点,或落在区域外面的交点。y = 2 和 x + y = 10 交于 (8, 2),但 x = 8 违反 x ≤ 6,所以 (8, 2) 不是顶点。

第二种错误是看到离原点最远的顶点就停下来。求最小值时,那个顶点往往不对,所以一定要把所有顶点都算一遍。

自己试试

区域由 x ≥ 1、y ≥ 2 和 2x + y ≤ 14 决定,成本是 C = 5x + 2y。求 C 的最小值和最大值。

答案

顶点:

  • x = 1 与 y = 2:(1, 2)。
  • y = 2 与 2x + y = 14:2x = 12,得 (6, 2)。
  • x = 1 与 2x + y = 14:y = 12,得 (1, 12)。

C 的值:(1, 2) 得 5 + 4 = 9。(6, 2) 得 30 + 4 = 34。(1, 12) 得 5 + 24 = 29。

最小值是 9,出现在 (1, 2),最大值是 34,出现在 (6, 2)。

下一步学什么

最后一个技能是把结果用文字写出来。接着学用文字解释最大值或最小值。应用题结构工作表 (英文)能帮你记住题目里每个符号代表什么。

如果顶点上的算术是你失分的地方,可以了解附加数学一对一线上补习。

常见问题

为什么最佳答案一定在顶点?

目标函数是一次式,数值在区域里是均匀变化的。所以最大值和最小值出现在角上,而不是区域中间。这也是为什么只需要检验顶点。

什么是目标函数?

它是题目要你取到最大或最小的那个量,例如利润 P = 4x + 3y 或成本 C = 5x + 2y。它来自题目的问法,不是约束。

两个顶点得到同一个值怎么办?

那么连接这两个顶点的边上,每一点都得到同一个值。要把这一点写出来;如果题目的 x 和 y 必须是整数,就列出这条边上的整数点。

只检验看得清楚的顶点就够了吗?

不够。所有顶点都要检验,漏掉一个就可能漏掉最大值。先把顶点列成表,再开始计算。

区域画对后,方法其实很短,分数靠每个顶点算得仔细。一对一补习中,老师可以在学生逐个计算时当场核对。

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