2.某工厂要做一个容积为 $2 m^{3}$ 的有盖长方体水箱,水箱的长、宽、高分别取多少,能使得用料最省。
建立数学模型
设水箱的长为x米,宽为y米,高为z米,则容积为 xyz = 2。水箱有盖,表面积为 S = 2(xy + yz + zx)。问题转化为:在约束条件 xyz = 2 (x>0, y>0, z>0) 下,求 S 的最小值。
构造拉格朗日函数
令拉格朗日函数 L(x,y,z,λ) = 2(xy + yz + zx) + λ(xyz - 2)。
求偏导数并令为零
对x求偏导:∂L/∂x = 2(y+z) + λ yz = 0;对y求偏导:∂L/∂y = 2(x+z) + λ xz = 0;对z求偏导:∂L/∂z = 2(x+y) + λ xy = 0;对λ求偏导:∂L/∂λ = xyz - 2 = 0。
解方程组
由前三个方程可得:2(y+z) = -λ yz,2(x+z) = -λ xz,2(x+y) = -λ xy。将第一式除以第二式得 (y+z)/(x+z) = y/x,整理得 x(y+z) = y(x+z) ⇒ xy + xz = xy + yz ⇒ xz = yz ⇒ x = y。同理可得 y = z。因此 x = y = z。代入容积方程 x³ = 2,得 x = y = z = ∛2。
结论
当长、宽、高均为 ∛2 米时,表面积最小,用料最省。