📌 Đề bài:
Một trang sách hình chữ nhật có diện tích phần in chữ là $384\text{ cm}^2$. Biết lề trên và lề dưới của trang đều rộng $3\text{ cm}$, lề trái và lề phải đều rộng $2\text{ cm}$. Tính các kích thước (chiều rộng và chiều dài) của trang giấy sao cho diện tích toàn bộ trang giấy đạt giá trị nhỏ nhất.
📚 Phương pháp giải & Lý thuyết trọng tâm
Để giải bài toán tối ưu hóa thực tế bằng công cụ đạo hàm, ta tiến hành theo các bước chuẩn:
- Bước 1: Chọn biến số và thiết lập điều kiện: Gọi kích thước của phần in chữ hoặc kích thước cả trang giấy là biến số $x > 0$.
- Bước 2: Xây dựng hàm mục tiêu: Biểu diễn diện tích toàn bộ trang giấy $S$ theo một biến $x$ duy nhất.
- Bước 3: Khảo sát cực trị hàm số: Tính đạo hàm $S'(x)$, giải phương trình $S'(x) = 0$ tìm điểm dừng và lập bảng biến thiên (hoặc dùng bất đẳng thức Cauchy) để xác định giá trị nhỏ nhất của hàm số trên khoảng khảo sát.
- Tương tự như bài toán tối ưu thể tích khối hộp hay bài toán cực trị tối ưu chi phí sản xuất, việc tìm cực trị giúp ta đưa ra lời giải kinh tế và tối ưu nhất cho bài toán kỹ thuật in ấn.
💡 LỜI GIẢI CHI TIẾT & CÁCH GIẢI TỪNG BƯỚC (Nhấn để mở)
Bước 1: Gọi ẩn và biểu diễn các đại lượng.
Gọi chiều rộng và chiều dài của phần in chữ lần lượt là $x\text{ (cm)}$ và $y\text{ (cm)}$ ($x > 0, y > 0$).
Theo giả thiết, diện tích phần in chữ là $384\text{ cm}^2$, do đó ta có hệ thức:
$$x \cdot y = 384 \implies y = \frac{384}{x}$$
Vì lề trái và lề phải đều rộng $2\text{ cm}$, nên chiều rộng của toàn bộ trang giấy là: $$X = x + 2 + 2 = x + 4\text{ (cm)}$$
Vì lề trên và lề dưới đều rộng $3\text{ cm}$, nên chiều dài (chiều cao) của toàn bộ trang giấy là: $$Y = y + 3 + 3 = y + 6\text{ (cm)}$$
Bước 2: Thiết lập hàm diện tích toàn trang giấy.
Diện tích toàn bộ trang giấy là $S(x)$ được xác định bởi:
$$S(x) = X \cdot Y = (x + 4)(y + 6) = (x + 4)\left(\frac{384}{x} + 6\right)$$
$$S(x) = 384 + 6x + \frac{1536}{x} + 24 = 6x + \frac{1536}{x} + 408 \quad (x > 0)$$
Bước 3: Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số $S(x)$ trên khoảng $(0; +\infty)$.
Cách 1: Sử dụng đạo hàm
Tính đạo hàm của $S(x)$:
$$S'(x) = 6 – \frac{1536}{x^2}$$
Cho $S'(x) = 0 \iff 6x^2 = 1536 \iff x^2 = 256 \implies x = 16$ (vì $x > 0$).
Xét dấu của đạo hàm:
- Với $0 < x < 16 \implies S'(x) < 0$, hàm số nghịch biến.
- Với $x > 16 \implies S'(x) > 0$, hàm số đồng biến.
Do đó hàm số $S(x)$ đạt cực tiểu tuyệt đối tại $x = 16$.
Cách 2: Sử dụng bất đẳng thức Cauchy (AM-GM)
Áp dụng bất đẳng thức Cauchy cho hai số dương $6x$ và $\frac{1536}{x}$:
$$6x + \frac{1536}{x} \ge 2\sqrt{6x \cdot \frac{1536}{x}} = 2\sqrt{9216} = 2 \cdot 96 = 192$$
$$\implies S(x) \ge 192 + 408 = 600$$
Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi: $$6x = \frac{1536}{x} \iff x^2 = 256 \iff x = 16\text{ cm}$$
Bước 4: Kết luận kích thước trang giấy.
Khi $x = 16\text{ cm}$, ta có:
- Chiều rộng trang giấy: $X = x + 4 = 16 + 4 = 20\text{ cm}$.
- Chiều dài của phần in: $y = \frac{384}{16} = 24\text{ cm}$.
- Chiều dài trang giấy: $Y = y + 6 = 24 + 6 = 30\text{ cm}$.
👉 Kết luận: Chiều rộng và chiều dài của trang sách là $20\text{ cm}$ và $30\text{ cm}$. Chọn đáp án B.
✍️ 5 Bài tập tương tự tự luyện (Có lời giải chi tiết)
Bài tập 1: Một tấm áp phích hình chữ nhật có diện tích phần in thông tin là $150\text{ cm}^2$. Biết mép lề trên và mép lề dưới rộng $3\text{ cm}$, hai mép lề hai bên rộng $2\text{ cm}$. Tìm kích thước tổng thể của tấm áp phích để diện tích của tấm áp phích là nhỏ nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 1
Gọi chiều rộng và chiều dài phần in chữ là $x, y > 0 \implies x \cdot y = 150 \implies y = \frac{150}{x}$.
Diện tích toàn tấm áp phích: $S(x) = (x + 4)(y + 6) = (x + 4)\left(\frac{150}{x} + 6\right) = 6x + \frac{600}{x} + 174$.
Đạo hàm: $S'(x) = 6 – \frac{600}{x^2} = 0 \implies x = 10\text{ cm}$. Khi đó $y = 15\text{ cm}$.
Đáp số: Chiều rộng trang là $X = 10 + 4 = 14\text{ cm}$, chiều dài là $Y = 15 + 6 = 21\text{ cm}$.
Bài tập 2: Người ta cần làm một lon sữa đặc hình trụ kín có dung tích $V = 54\pi\text{ cm}^3$. Tìm bán kính đáy $R$ và chiều cao $h$ của lon sữa sao cho diện tích toàn phần của lon sữa là nhỏ nhất (tức tốn ít kim loại nhất).
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 2
Thể tích hình trụ: $V = \pi R^2 h = 54\pi \implies h = \frac{54}{R^2}$.
Diện tích toàn phần: $S_{tp} = 2\pi R^2 + 2\pi Rh = 2\pi R^2 + 2\pi R \cdot \frac{54}{R^2} = 2\pi R^2 + \frac{108\pi}{R} = 2\pi\left(R^2 + \frac{27}{R} + \frac{27}{R}\right)$.
Áp dụng BĐT Cauchy: $R^2 + \frac{27}{R} + \frac{27}{R} \ge 3\sqrt[3]{R^2 \cdot \frac{27}{R} \cdot \frac{27}{R}} = 3 \cdot 9 = 27$.
Dấu bằng xảy ra khi $R^2 = \frac{27}{R} \iff R^3 = 27 \iff R = 3\text{ cm} \implies h = \frac{54}{3^2} = 6\text{ cm}$.
Đáp số: $R = 3\text{ cm}, h = 6\text{ cm}$.
Bài tập 3: Một sợi dây kim loại dài $100\text{ cm}$ được cắt thành hai đoạn: một đoạn uốn thành hình vuông, một đoạn uốn thành hình tròn. Tính độ dài đoạn dây uốn thành hình vuông sao cho tổng diện tích hai hình thu được là nhỏ nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 3
Gọi chiều dài đoạn dây uốn thành hình vuông là $x$ ($0 < x < 100$), đoạn uốn thành hình tròn là $100 - x$.
Cạnh hình vuông là $\frac{x}{4}$, bán kính hình tròn là $r = \frac{100 – x}{2\pi}$.
Tổng diện tích: $S(x) = \left(\frac{x}{4}\right)^2 + \pi\left(\frac{100 – x}{2\pi}\right)^2 = \frac{x^2}{16} + \frac{(100 – x)^2}{4\pi}$.
Đạo hàm: $S'(x) = \frac{x}{8} – \frac{100 – x}{2\pi} = 0 \iff \pi x – 4(100 – x) = 0 \iff (\pi + 4)x = 400 \implies x = \frac{400}{\pi + 4}\text{ cm}$.
Đáp số: Đoạn dây uốn thành hình vuông dài $\frac{400}{\pi + 4}\text{ cm} \approx 56\text{ cm}$.
Bài tập 4: Một khu vườn hình chữ nhật có diện tích $800\text{ m}^2$. Người ta muốn xây hàng rào bao quanh khu vườn và chia khu vườn thành hai phần bằng nhau bởi một đường rào song song với một cạnh. Tìm kích thước của khu vườn sao cho tổng chiều dài hàng rào cần xây là ngắn nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 4
Gọi cạnh có hàng rào ngăn chia là $x\text{ (m)}$ ($x > 0$), cạnh còn lại là $y\text{ (m)}$. Diện tích $x y = 800 \implies y = \frac{800}{x}$.
Tổng chiều dài hàng rào gồm $3$ đoạn độ dài $x$ và $2$ đoạn độ dài $y$: $L(x) = 3x + 2y = 3x + \frac{1600}{x}$.
Đạo hàm: $L'(x) = 3 – \frac{1600}{x^2} = 0 \implies x^2 = \frac{1600}{3} \implies x = \frac{40\sqrt{3}}{3}\text{ m}$.
Cạnh còn lại: $y = \frac{800}{\frac{40\sqrt{3}}{3}} = 20\sqrt{3}\text{ m}$.
Đáp số: Kích thước khu vườn là $\frac{40\sqrt{3}}{3}\text{ m} \times 20\sqrt{3}\text{ m}$.
Bài tập 5: Một cửa sổ dạng vòm gồm một hình chữ nhật phía dưới và một nửa hình tròn phía trên có chu vi tổng cộng bằng $10\text{ m}$. Tìm bán kính của nửa hình tròn để diện tích cửa sổ thu được ánh sáng nhiều nhất (diện tích lớn nhất).
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 5
Gọi bán kính nửa hình tròn là $r\text{ (m)}$ ($r > 0$). Chiều rộng hình chữ nhật là $2r$, gọi chiều cao hình chữ nhật là $h\text{ (m)}$.
Chu vi cửa sổ: $P = 2h + 2r + \pi r = 10 \implies h = \frac{10 – (2 + \pi)r}{2} = 5 – \frac{2 + \pi}{2}r$.
Diện tích cửa sổ: $S(r) = 2r \cdot h + \frac{1}{2}\pi r^2 = 2r\left(5 – \frac{2 + \pi}{2}r\right) + \frac{1}{2}\pi r^2 = 10r – \left(2 + \frac{\pi}{2}\right)r^2$.
Đạo hàm: $S'(r) = 10 – (4 + \pi)r = 0 \implies r = \frac{10}{\pi + 4}\text{ m}$.
Đáp số: Bán kính nửa hình tròn tối ưu là $r = \frac{10}{\pi + 4}\text{ m} \approx 1.4\text{ m}$.

Để lại phản hồi