高考中线性规划习题的三种变式

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  随着线性规划问题在数学教学的深入,高考在这方面出题的角度也变得越来越新.它由原来传统的已知线性约束条件,求线性的最值问题.转变成多种非线性最值问题和非最值问题的求解.
  
  1 目标函数的变式
  
  1.1 目标函数变成了z=|ax+by+c|结构,对于此类问题可以转换成z=|ax+by+c|a2+b2·a2+b2结构,即转化成区域内的点(x,y)到直线ax+by+c=0距离的最近、最远问题.
  例1 已知实数x,y满足x-y+2≥0
  
  图1解:如图1,原目标函数可以变成:
  z=|2x+y+4|=|2x+y+4|5·5.
  此问题可以看成阴影部分的点到直线2x+y+4=0的距离的最小值乘以5.通过观察,点(0,2)到直线2x+y+4=0距离为阴影部分的点到直线距离的最小值.
  
  1.2 目标函数变成了z=(x-a)2+(y-b)2结构.此问题可以转换成区域内的点到定点(a,b)的最近距离和最远距离.
  
  x+2y-4≥0,求z=x2+y2的最值.
  图2解:如图2,原目标函数可以转换成区域内点(x,y)到定点(0,0)的距离的最值.过点(0,0)作临近直线x+2y-4=0的垂线,垂足落在可行域内,最小值为点(0,0)到边界线x+2y-4=0的距离为:d=|-4|1+4=455,最大值为点(4,0)到点(0,0)的距离4.
  注:对于本结构在求最小值时,大家要特别注意是到边界线的距离,还是到临近顶点的距离,例如上题中的目标函数改为:z=(x+2)2+(y-2)2,则此题的最小值为点(0,2)到点(-2,2)的距离.对于这样问题的判定标准为:过定点做临近边界线的垂线,若垂足落在可行域内,则最小值为点到直线的距离;若垂足没有落到可行域内,则到临近顶点的距离为最小值.
  1.3 目标函数变成了z=y-bx-a结构.此类题可以转换成可行域内的点(x,y)与点(a,b)连线斜率的取值的范围.
  例3 已知实数x,y满足x-y+2≥0
  
  图3解:如图3,目标函数可以看作点(x,y)到点(-2,1)斜率,则其最大值和最小值为连线斜率的最大值和最小值.通过观察,点(1,3)与点(-2,1)连线的斜率为斜率的最大值,即z的最大值为23,点(4,0)与点(-2,1)连线的斜率为斜率的最小值即z的最小值为-16.
  1.4 目标函数变成了:z=|OA||cosθ|.(其中点A为可行域内的点,θ为OA,OB所成角,B为定点).这个问题可以翻译成向量OA在OB上投影的绝对值.即过点A做直线OB的垂线,垂足为到点O的距离.
  例4 已知实数x,y满足x-y+2≥0
  
  这个问题可以翻译成向量OA在OB上投影的绝对值.通过可行域可观察到,过(4,0)点作直线OB的垂线段,垂足D到O的距离最远,所以最大值为|OD|=|-8|5=855.
  1.5 所求问题是非最值求解题,例如求可行域的面积和已知最优解的个数求变量取值范围等等.
  2 由线性约束条件向非线性约束条件的变式
  随着线性规划解题的深入,在出题时动点所在的区域的表示方式也发生着变化,但区域表示形式的变化仍然不改变线性规划的解题思想的实质.
  
  图5解:动点所在的区域如图5所示.
  在点(22,22)处切线的斜率为-1,所以在圆x2+y2=1,x∈[22,1],y≥0的切线的斜率取值范围为(-∞,-1].
  所以对于y=-13x+z3来说不可能成为圆x2+y2=1,在x∈[22,1],y≥0范围内的切线.
  所以y=-13x+z3过点)(22,22)时在y轴上的截距最大,所以 zmax=22.
  注:在非线性习题的处理中,要做好平移直线是否可以成为曲线的切线的判定.例如把目标函数改为:z=x+13y,则当y=-3x+3z为圆x2+y2=1 (x∈[22,1],y≥0)的切线时,切点带入目标函数后值最大.
  
  3 由显性到隐性的变式
  
  在题中不能明确看出本题是线性规划的习题,需要对习题进行进一步的翻译和转化,将表面不是线性规划结构的问题转化成线性规划结构的问题.
  例6 (2007年全国卷2(文)第22题)已知函数f(x)=13ax3-bx2+(2-b)x+1在x=x1处取得极大值,
  
  通过以上三种变式的分析,虽然线性规划的变式结构比较多,但其由数到形的转换思想并没有改变.所以,对于新题大家要注意进行由数到形、由表面不象线性规划结构到线性规划结构的转换,只要一道习题可以翻译成:已知一组变量相互关联的取值范围,求变量组合取值范围的习题,都可以考虑运用线性规划中体现出的数形结合的思想来处理.
  
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