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二、线性规划

不等式及其解法 · 高一
讲清楚它是什么

定义 在满足一组线性不等式约束条件下,求线性目标函数最大值或最小值的问题。

从哪来 本节为起点,无前置知识点。

为什么 线性规划的核心逻辑基于“凸性”与“极值原理”。可行域是由线性不等式围成的凸多边形(或无界区域),而线性目标函数 $z=ax+by$ 的等值线是一族平行直线。当这族平行直线在可行域内平移时,目标函数值单调变化。由于可行域是凸集,线性函数在凸集上的极值必然出现在边界上,且具体位置一定在顶点处。这是因为如果最优点在边内部或区域内部,沿着梯度方向移动总能找到更优解,直到撞上边界顶点。因此,只需考察有限个顶点即可找到全局最优解,这是将无限解空间转化为有限计算的关键。

几何直观法(适合视觉型、直觉型学生)** 1. **画区域
将每个约束条件看作平面被直线分成的两半,取交集画出可行域(阴影部分)。强调“边界线”是约束的极限。 2. 看斜率:将目标函数 $z=ax+by$ 变形为 $y = -\frac{a}{b}x + \frac{z}{b}$。指出 $\frac{z}{b}$ 是截距,$-\frac{a}{b}$ 是斜率。 3. 动直线:想象一条斜率固定的直线,从无穷远处向可行域平移。 - 若求最大值,看直线最后离开可行域时接触的是哪个点(顶点)。 - 若求最小值,看直线最先接触可行域时是哪个点。 4. 算坐标:联立该顶点所在的两个边界方程,解出 $x, y$,代入目标函数求 $z$。 *口诀:画域、定斜、平移、找点、代值。*
代数验证法(适合逻辑型、计算型学生)** 1. **找顶点
列出所有约束边界直线方程。两两联立,解出所有交点坐标。 2. 筛可行:将每个交点代入所有原始不等式约束,剔除不满足条件的点,剩下的就是可行域的顶点。 3. 比大小:将每个可行顶点的 $(x,y)$ 代入目标函数 $z$,计算数值。 4. 定结论:比较所有 $z$ 值,最大者为最大值,最小者为最小值。 *优势:无需画图,纯计算,适合图形能力弱但代数运算强的学生。*
经济决策模型法(适合应用导向、思维活跃学生)** 1. **情境代入
假设你是工厂厂长,生产A、B两种产品。 - $x, y$ 是产量(非负)。 - 约束是资源限制(如原料、工时、电力),每个约束对应一种资源的上限。 - 目标函数是利润 $z = \text{单价}_A \cdot x + \text{单价}_B \cdot y$。 2. 理解边界:约束条件代表“不能超支”,可行域是“所有合法的生产方案集合”。 3. 最优策略:利润最大化意味着在资源允许的极限边缘生产。为什么是顶点?因为顶点代表两种资源同时耗尽(或一种耗尽另一种达到上限),这是资源利用最“紧凑”的状态。 4. 求解:通过计算不同资源组合耗尽时的产量(顶点),比较哪种组合利润最高。
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练一道
基础题
已知实数 $x, y$ 满足约束条件: $$ \begin{cases} x + y \le 4 \\ x - y \ge -2 \\ y \ge 0 \end{cases} $$ 求目标函数 $z = 2x + y$ 的最大值。
变式
已知 $x, y$ 满足: $$ \begin{cases} x \ge 1 \\ y \ge 1 \\ x + y \le 5 \end{cases} $$ 求 $z = x^2 + y^2$ 的最小值。 *(注:此题目标函数非线性,但约束仍为线性,考察对“线性规划”定义边界的理解及几何意义)
看解答过程
1. 确定可行域顶点: - 联立 $x+y=4$ 与 $x-y=-2$:解得 $2x=2 \Rightarrow x=1, y=3$。点 $A(1,3)$。 - 联立 $x-y=-2$ 与 $y=0$:解得 $x=-2, y=0$。点 $B(-2,0)$。 - 联立 $x+y=4$ 与 $y=0$:解得 $x=4, y=0$。点 $C(4,0)$。 - 检查约束:三点均满足 $y \ge 0$ 及其他不等式方向。 2. 计算目标函数值: - $A(1,3): z = 2(1) + 3 = 5$ - $B(-2,0): z = 2(-2) + 0 = -4$ - $C(4,0): z = 2(4) + 0 = 8$ 3. 结论:最大值为 8。
试试手自己判
检测题
已知 $x, y$ 满足约束条件: $$ \begin{cases} x + y \le 4 \\ x - y \le 2 \\ y \ge 0 \end{cases} $$ 则目标函数 $z = 3x + 2y$ 的最大值是?
看答案和判分标准
答案:12
判对标准:
- 正确画出可行域(顶点为 $(0,0), (2,2), (4,0)$)。
- 正确计算各顶点 $z$ 值:$(0,0)\to0$; $(2,2)\to10$; $(4,0)\to12$。
- 得出最大值 12。
- 若答案为 10,说明误判顶点;若为其他值,说明计算或画域错误。
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