浙江 2021 · 数学 q05

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2021 · 数学 q05 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 若实数 x,yx, y 满足约束条件 {x+1≥0x−y≤02x+3y−1≤0\left\{\begin{array}{l} x + 1 \geq 0 \\ x - y \leq 0 \\ 2x + 3y - 1 \leq 0 \end{array} \right.,则 z=x−12y的z = x - \frac{1}{2} y^{\text{的}} 最小值是()
    A. -2
    B. −32-\frac{3}{2}
    C. −12-\frac{1}{2}
    D. 110\frac{1}{10}

答案

B

本题的知识树

2 概念 · 1 定理 · 1 题型 · 1 套路 · 最深 3 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

线性规划可行域三顶点求目标函数最小值 · 最终答案:B

读题:三条约束围一块区域,求目标函数的最小值

题目给了三个线性不等式:

{x+1≥0x−y≤02x+3y−1≤0\begin{cases} x + 1 \geq 0 \\ x - y \leq 0 \\ 2x + 3y - 1 \leq 0 \end{cases}

它们各自表示一条直线的一侧(半平面),三者的公共部分围出一块有界区域——可行域。目标函数 z=x−12yz = x - \dfrac{1}{2}y 是线性的,而可行域是有界闭区域,所以最值一定在某个顶点处取得。

解法一:平移目标直线

怎么想到的。 目标函数 z=x−12yz = x - \dfrac{1}{2}y 里有 xx 和 yy 两个变量,直接看不出 zz 什么时候最小。把它改写成关于 yy 的直线方程:

y=2x−2zy = 2x - 2z

这是一族斜率固定为 2 的平行线,不同的 zz 值对应不同的纵截距 −2z-2z。于是「求 zz 的最小值」变成了「把这族直线平移,看它在可行域上能取到多大的截距」——截距 −2z-2z 越大,zz 越小。

第一步:画出可行域,求出三个顶点

三条边界直线分别是:

  • x=−1x = -1(竖直线)
  • y=xy = x(过原点、斜率 1)
  • 2x+3y−1=02x + 3y - 1 = 0,即 y=−23x+13y = -\dfrac{2}{3}x + \dfrac{1}{3}(斜率 −23-\dfrac{2}{3})

两两联立求交点:

  • x=−1x = -1 与 y=xy = x:顶点 (−1, −1)(-1,\,-1)
  • x=−1x = -1 与 2x+3y−1=02x + 3y - 1 = 0:代入得 −2+3y−1=0-2 + 3y - 1 = 0,y=1y = 1,顶点 (−1, 1)(-1,\,1)
  • y=xy = x 与 2x+3y−1=02x + 3y - 1 = 0:代入得 5x=15x = 1,x=15x = \dfrac{1}{5},顶点 (15, 15)\left(\dfrac{1}{5},\,\dfrac{1}{5}\right)

第二步:比较斜率,判断最值在哪个顶点

目标直线斜率为 2。把它从截距很小(zz 很大)的位置往上平移,截距 −2z-2z 逐渐增大(zz 逐渐减小)。直线最后离开可行域的那个顶点,就给出 zz 的最小值。

斜率 2 比边界 y=xy = x 的斜率 1 更陡,比 y=−23x+13y = -\dfrac{2}{3}x + \dfrac{1}{3} 的斜率 −23-\dfrac{2}{3} 也更陡。从下方平移上来时,最后与可行域相切的顶点是 (−1, 1)(-1,\,1)——它是可行域中「最高且最左」的点。

第三步:代入求值

z=−1−12×1=−32z = -1 - \frac{1}{2}\times 1 = -\frac{3}{2}

教学图:上幅三条边界直线 x + 1 = 0、x − y = 0、2x + 3y − 1 = 0 围出阴影的可行域,三个顶点 (−1, −1)、(−1, 1)、(1/5, 1/5) 的坐标标在各自旁边;下幅三条斜率同为 2 的目标直线各过一个顶点,标着 z = −1/2 与 z = 1/10,一支向上的箭头示意截距 −2z 变大而 z 变小,绿色那条过顶点 (−1, 1),给出最小值 z = −3/2

解法二:顶点代入比较

怎么想到的。 定理「最优解在可行域顶点」告诉我们:线性目标函数在有界闭可行域上的最值一定在顶点处取得。可行域只有三个顶点,逐个代入 zz 再比大小就行——不必画图判断斜率。

三个顶点(同解法一所求):(−1, −1)(-1,\,-1)、(−1, 1)(-1,\,1)、(15, 15)\left(\dfrac{1}{5},\,\dfrac{1}{5}\right)。

逐一代入 z=x−12yz = x - \dfrac{1}{2}y:

顶点zz 值
(−1, −1)(-1,\,-1)−1+12=−12-1 + \dfrac{1}{2} = -\dfrac{1}{2}
(−1, 1)(-1,\,1)−1−12=−32-1 - \dfrac{1}{2} = -\dfrac{3}{2}
(15, 15)\left(\dfrac{1}{5},\,\dfrac{1}{5}\right)15−110=110\dfrac{1}{5} - \dfrac{1}{10} = \dfrac{1}{10}

三者中最小的是 −32-\dfrac{3}{2}。

答案 B。 zz 的最小值为 −32-\dfrac{3}{2},在顶点 (−1,1)(-1, 1) 处取得。

本题的坑:目标函数改写成 y=2x−2zy = 2x - 2z 后,截距是 −2z-2z 而不是 zz——截距最大时 zz 反而最小。别把方向搞反。