Math Problem Statement

Il y a plusieurs paires de nombres (positifs ou négatifs) dont la somme vaut l’unité. Parmi ceux-ci, trouvez les deux nombres dont la somme du double du carré du premier nombre et du cube du second nombre donnerait une valeur minimale relative

Solution

Pour résoudre cette question, nous devons :

  1. Exprimer la somme des deux nombres : Soit les deux nombres xx et yy, la condition donnée est que la somme des deux nombres est égale à 1 : x+y=1x + y = 1

  2. Expliquer la fonction à minimiser : La fonction dont on doit minimiser la valeur est la somme du double du carré du premier nombre xx et du cube du second nombre yy : f(x,y)=2x2+y3f(x, y) = 2x^2 + y^3

  3. Substituer yy en fonction de xx : À partir de x+y=1x + y = 1, on peut exprimer yy comme : y=1xy = 1 - x

  4. Formuler la fonction à minimiser en fonction de xx : En substituant y=1xy = 1 - x dans f(x,y)f(x, y), on obtient une fonction à une seule variable : f(x)=2x2+(1x)3f(x) = 2x^2 + (1 - x)^3

  5. Simplifier la fonction : f(x)=2x2+(1x)3=2x2+(13x+3x2x3)f(x) = 2x^2 + (1 - x)^3 = 2x^2 + (1 - 3x + 3x^2 - x^3) f(x)=2x2+13x+3x2x3=x3+5x23x+1f(x) = 2x^2 + 1 - 3x + 3x^2 - x^3 = -x^3 + 5x^2 - 3x + 1

  6. Trouver la dérivée et les points critiques : Pour minimiser cette fonction, nous devons trouver ses points critiques en dérivant f(x)f(x) par rapport à xx, puis en résolvant f(x)=0f'(x) = 0. f(x)=3x2+10x3f'(x) = -3x^2 + 10x - 3

  7. Résoudre l'équation f(x)=0f'(x) = 0 : 3x2+10x3=0-3x^2 + 10x - 3 = 0 Utilisons la formule quadratique pour résoudre cette équation : x=b±b24ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} Ici, a=3a = -3, b=10b = 10, et c=3c = -3, donc : x=10±1024(3)(3)2(3)=10±100366=10±646x = \frac{-10 \pm \sqrt{10^2 - 4(-3)(-3)}}{2(-3)} = \frac{-10 \pm \sqrt{100 - 36}}{-6} = \frac{-10 \pm \sqrt{64}}{-6} x=10±86x = \frac{-10 \pm 8}{-6} Ce qui donne deux solutions : x1=10+86=26=13x_1 = \frac{-10 + 8}{-6} = \frac{-2}{-6} = \frac{1}{3} x2=1086=186=3x_2 = \frac{-10 - 8}{-6} = \frac{-18}{-6} = 3

  8. Vérification des points critiques : Pour ces valeurs de xx, calculons y=1xy = 1 - x :

    • Si x1=13x_1 = \frac{1}{3}, alors y1=113=23y_1 = 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3}.
    • Si x2=3x_2 = 3, alors y2=13=2y_2 = 1 - 3 = -2.
  9. Calcul de f(x)f(x) pour chaque point critique :

    • Pour x1=13x_1 = \frac{1}{3}, y1=23y_1 = \frac{2}{3}, on a : f(13,23)=2(13)2+(23)3=2(19)+(827)=29+827=1827+827=2627f\left( \frac{1}{3}, \frac{2}{3} \right) = 2\left(\frac{1}{3}\right)^2 + \left(\frac{2}{3}\right)^3 = 2\left(\frac{1}{9}\right) + \left(\frac{8}{27}\right) = \frac{2}{9} + \frac{8}{27} = \frac{18}{27} + \frac{8}{27} = \frac{26}{27}
    • Pour x2=3x_2 = 3, y2=2y_2 = -2, on a : f(3,2)=2(3)2+(2)3=2(9)8=188=10f(3, -2) = 2(3)^2 + (-2)^3 = 2(9) - 8 = 18 - 8 = 10

Ainsi, la valeur minimale de f(x,y)f(x, y) est 2627\frac{26}{27}, obtenue lorsque x=13x = \frac{1}{3} et y=23y = \frac{2}{3}.

Résumé :

Les deux nombres dont la somme du double du carré du premier et du cube du second nombre est minimale sont 13\frac{1}{3} et 23\frac{2}{3}.


Si vous avez des questions ou souhaitez plus de détails sur certains points, n'hésitez pas à demander !

Voici quelques autres questions que vous pourriez explorer :

  1. Comment déterminer le type de minimum (minimum local ou global) à partir de la dérivée seconde ?
  2. Comment les propriétés des dérivées peuvent-elles être utilisées pour résoudre d'autres problèmes de minimisation ?
  3. Comment cette méthode pourrait-elle être appliquée à des problèmes où la fonction n'est pas polynomiale ?
  4. Pourquoi est-il important d'examiner les points aux frontières du domaine dans des problèmes de minimisation ?
  5. Quelles sont les méthodes pour résoudre des équations polynomiales d'ordre supérieur ?

Conseil : Toujours vérifier si le domaine des variables impose des restrictions avant de résoudre complètement un problème de minimisation !

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Formulas

x + y = 1
f(x, y) = 2x^2 + y^3
f'(x) = -3x^2 + 10x - 3
Quadratic Formula: x = (-b ± √(b^2 - 4ac)) / 2a

Theorems

Derivative Tests for Critical Points
Quadratic Equation Solutions

Suitable Grade Level

Grades 11-12