Mathematics | Discrete mathematics » Berzsenyi Viktória - Szélsőérték-feladatok különböző megoldási módszerei

http://www.doksihu Szélsőérték-feladatok különböző megoldási módszerei Szakdolgozat Készítette: BERZSENYI VIKTÓRIA Témavezető: MAUS PÁL Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Matematikatanítási- és Módszertani Központ 2010 http://www.doksihu Tartalomjegyzék Bevezetés . 3 Definíciók, tételek, összefüggések, megoldási menetek . 4 A háromszög egyenlőtlenség . 4 Pitagorasz-tétel . 4 Két pozitív szám számtani, mértani, harmonikus és négyzetes közepének geometriai definiálása. 4 Számtani közép . 4 Mértani közép . 5 Harmonikus közép. 6 Négyzetes közép . 8 A középértékek jellemzői . 9 Általánosítás több számra. 10 Nem negatív számok összegére, szorzatára, valamint négyzetösszegére vonatkozó tételek 11 A másodfokú függvény szélsőértékeinek meghatározása . 11 A differenciálható függvények szélsőértékeinek meghatározása. 12 Feladatok . 15 Befejezés . 36 Felhasznált

irodalom . 37 2 http://www.doksihu Bevezetés Szakdolgozatomban a szélsőérték-feladatok különböző megoldási módszereit és ezek alkalmazását szeretném bemutatni és összehasonlítani. A témaválasztásomat motiválta, hogy középiskolás tanulmányaimban a témakör elemi matematika eszközeivel történő megoldása kisebb hangsúlyt kapott. Ezt a hiányosságomat szerettem volna pótolni, illetve összekapcsolni az egyetemen tanultakkal. Ezen kívül a szakdolgozatomban összefoglaltakat szeretném később, tanári hivatásom gyakorlása alatt felhasználni. Az első részben a megoldási módszerek elméleti hátterét tekintem át, ismertetve a szakdolgozatom feladataihoz felhasznált definíciókat, tételeket, összefüggéseket. A második rész példáit a Magyarországon használatban lévő középiskolai tankönyvek feladatsoraiból és feladatgyűjteményekből válogattam, többségében Hódi Endre munkájából. Könyvének előszavában írja a

következőt: „Véleményem szerint szélsőérték-feladatot csak akkor indokolt differenciál-hányados segítségével megoldani, ha vagy egyáltalán nem találunk rá elemi megoldást, vagy, ha sikerül is megoldani elemi úton a feladatot, ez a megoldás nagyon bonyolult, lényegesen bonyolultabb annál, amit a differenciál-hányados alkalmazásával kaphatunk.” 3 Ezt szem előtt tartva arra törekedtem, hogy a feladatok megoldásainál elsősorban az elemi módszereket helyezzem előtérbe. A tételbizonyítások, feladatok és megoldásaik szemléltető ábráit a GeoGebra rajzolóprogrammal készítettem. Köszönetet szeretnék mondani konzulensemnek, Maus Pálnak, aki támpontot adott a szakdolgozat felépítéséhez és a konzultációkon a feladatok különböző megoldásaihoz. 3 Hódi 5.o 3 http://www.doksihu Definíciók, tételek, összefüggések, megoldási menetek A háromszög egyenlőtlenség A geometriai egyenlőtlenségek gyakran a

következő fontos összefüggésre vezethetők vissza:
 : Három adott szakasz akkor és csakis akkor lehet egy háromszög három oldala, ha bármelyikük kisebb, mint a másik kettő összege.4 Pitagorasz-tétel:
 :Minden derékszögű háromszögben a befogók négyzetének összege egyenlő az átfogó négyzetével. Két pozitív szám számtani, mértani, harmonikus és négyzetes közepének geometriai definiálása Számtani közép Adottak az  és  különböző pozitív számok, és legyen   . Létezik olyan trapéz, amelyben az és párhuzamos oldalak hosszúsága  és . (1 ábra) 1. ábra 4 Reiman 226.o 4 http://www.doksihu Jelöljük a trapéz szárainak felezőpontjait  -sel és  -sel. Az ezeket összekötő szakasz a trapéz középvonala, amely párhuzamos az  : Az     és      oldalakkal, és hossza  . 2 számot nevezzük az  és  számok számtani közepének.3    esetén is, hiszen a trapéz helyett

téglalappal ugyanígy definiálható. (Az  és  számok egyenlőségének esetét a későbbi definíciók során külön fogjuk vizsgálni.) Mértani közép Tekintsük az trapézt (1. ábra) Mekkora annak a húrnak a hossza, amely az trapézt két hasonló trapézra bontja? (Nevezzük húroknak a szárak egy-egy pontját összekötő, az és oldalakkal párhuzamos szakaszokat.) Tegyük fel, hogy létezik ilyen   húr. Ekkor a hasonlóság miatt felírható, hogy ebből     ,         √.  : Az   √ számot az  és  számok mértani közepének nevezzük.4 A mértani közép bevezetése    esetén ezzel a módszerrel nem lehetséges, de    esetén is definiálhatjuk a két szám mértani közepét az   √ egyenlőséggel. A trapéznak nyilván egy és csak egy √ hosszúságú húrja van, hiszen   , és így       ,   √  , azaz √ az  és  számok közé esik 5, és ekkor a folytonosság elve

miatt valóban létezik egyetlen √ hosszúságú húr. 3 Szikszai 7.o U.a 9o 5 U.a 9o 4 http://www.doksihu A hasonlóságnak szükséges feltétele volt a két-két megfelelő oldal arányának egyezése. Be kell még látnunk, hogy az így keletkezett   hasonlók. Nagyítsuk az arányban. A   trapézok valóban és az trapéz szárainak  metszéspontjából az   √  trapézt oldalból az   húrt kapjuk, hiszen az   húrból pedig az  √  √    ,  oldalt, mert √ √   .6 Azt állítjuk továbbá, hogy az   húr rövidebb, mint az   . Ez abból következik, hogy az   középvonal a magasságot felezi, a   és   hasonló trapézok közül az alsó trapéz magassága √ -szerese a felső trapéz  magasságának, tehát nagyobb nála. Szemléletesen szólva az   húr az   felett van
: Két különböző pozitív szám mértani közepe kisebb, mint a számtani közepe,   .7

Könnyen látható, hogy    esetén    egyenlőség teljesül. Harmonikus közép Jelöljük az trapéz átlóinak metszéspontját !-vel. Számítsuk ki a ! ponton átmenő " " húr hosszát (2. ábra) 2. ábra 6 7 Szikszai 9.o U.a10o 6 http://www.doksihu A , " ! , ill. az , !" háromszögek hasonlóságából a " ! "  ,  illetve " ! "   aránypárokat írhatjuk fel. Ezeket összeadva 1 1 " ! #  %  1.   Ugyanígy adódik a 1 1 " ! #  %  1   összefüggés. (Ezekből leolvasható, hogy ! a húr felezőpontja) A két egyenletet összeadva és rendezve a keresett húr hossza &  " "   2 1 1    .  : A &  ' ' számot nevezzük az  és  számok harmonikus közepének.8  ( ) Látható, hogy    esetén is használható a fenti definició, hiszen egy téglalapban az átlók metszéspontjával ugyanígy végigvihető a gondolatmenet. Azt

állítjuk, hogy különböző  és  esetén az " " húr az eddigiek közül a legrövidebb, vagyis &    . Az állítás következő bizonyítása konzultáción hangzott el. Legyen az ,   ,   , a " " , és a rendre *, + ,  , , és - . Láttuk, hogy a   √ és " " trapézok magassága   hasonló trapézok közül az alsó trapéz magassága  -szerese a felső trapéz magasságának, vagyis: *+ Tudjuk, hogy azaz 8 √  m .  *+    , Szikszai 10.o 7 http://www.doksihu *+  A! és a ! * √ 1  . háromszögek hasonlóak, ezért: Tudjuk, hogy ebből *,   , *-   *  - .  , *,  -  , *,  * 1 * .  * 1 ,  √  1  az " " húr valóban rövidebb, mint a   húr. Bizonyítottuk, hogy
/ : két különböző pozitív szám harmonikus közepe kisebb, mint a mértani közepe.9 Bizonyítható, hogy    esetén &   egyenlőség teljesül.

Négyzetes közép A trapéz   középvonala nem felezi a trapéz területét, hiszen    miatt a középvonal feletti terület nyilván kisebb területű, mint az alatta levő. Ebből következően biztosan van pontosan egy olyan 0 0 húr a középvonal alatt, mely a trapéz területét két egyenlő részre osztja. Határozzuk meg ennek a területfelező húrnak a hosszát Az  , 0 0 ,  háromszögek hasonlóak (1. ábra), területeik aránya egyenlő az O-val szemközti oldalak négyzeteinek arányával, tehát van olyan 1 pozitív valós szám, hogy a három terület mértékszáma rendre Az és az  1  , 12 0 0 3 , 1 . trapéz területfelezése azt jelenti, hogy az 0 0 háromszög területe az  háromszögek területének számtani közepe, azaz 12 0 0 3  és ebből 9 Szikszai 11.o 8 1  1  , 2 http://www.doksihu / : A kapott 4  6 7  7      4  0 0  5 . 2 számot nevezzük az  és  számok négyzetes közepének.10

A fenti értelmezés    esetén nem lehetséges, de ekkor is definiálhatjuk az  és  számok négyzetes közepét az 4  6 7  7  egyenlőséggel. Mivel az 0 0 szakasz a középvonal alatt van,   4.
8 : Két különböző pozitív szám számtani közepe kisebb a négyzetes közepénél. Nyilvánvaló, hogy    esetén   4 teljesül.11 A középértékek jellemzői A geometriai úton definiált négy húr és az ezeknek megfelelő négy középérték közös tulajdonsága, hogy mind a négy  és  közé esik, ha  és  különböző pozitív számok. Továbbá    esetén   &      4  . Ha   , akkor minden húr hossza  és  közös számértékével egyenlő (és változatlanul igaz, hogy a négy nevezetes húr helyzete egyértelműen meghatározott), továbbá    esetén   &      4  . Vagyis
9 : ha  és  pozitív számok, és  :  akkor, : 2 1 1  : √ :      :5 : . 2 2 Az  és  számokat

közepükkel pótolva középértékként ugyanazt a számot kapjuk, mint az  és  számok esetén.12 10 Szikszai 11-12.o U.a 12o 12 U.a 12-13o 11 9 http://www.doksihu Általánosítás több számra 8 :Legyen adva az + ,  , , 0 < db pozitív szám. Az < db pozitív szám számtani, mértani, harmonikus és négyzetes közepe rendre az a , , &, 4 szám, mellyel helyettesítve: szorzatuk, összegük, négyzetösszegük változatlan, tehát  +    =  0 , <   ?>+ = 0 , < + + ,   =  7 ? ' & + Bizonyítható, hogy +    =  0 45 . <
@ : bármelyik közép a legnagyobb és a legkisebb szám közé esik, ha a számok nem mind egyenlők. (Ha a számok egyenlők, bármelyik közepe e számokkal egyenlő)13 Belátható, hogy
A : < db pozitív szám esetén igaz a következő összefüggés: < +    =  0 +    =  0 ? 5 : >+ = 0 : : . + < <  +7  =  +? ' Az

egyenlőség szükséges és elégséges feltétele: +    =  0 .14 A szélsőérték-feladatok megoldásánál két vagy < db pozitív szám számtani, mértani, harmonikus és négyzetes és közepe közötti egyenlőtlenség, illetve egyenlőségláncot használjuk fel. A megoldásnál lényeges szerepet játszik, hogy az egyenlőtlenség egyik oldalán szereplő közép állandó lesz, a másik érték akkor veszi fel a minimumát vagy maximumát, ha ezzel az értékkel egyenlő. Ez akkor és csak akkor lehetséges, ha a két vagy < db pozitív szám megegyezik. 13 14 Szikszai 16-17.o U.a 21-24o 10 http://www.doksihu Nem negatív számok összegére, szorzatára, valamint négyzetösszegére vonatkozó tételek
B : Ha az C+ , C , , C0 nemnegatív számok összege állandó, akkor 1. az C+ · C · · C0 szorzat C+  C  =  C0 esetén lesz a lehető legnagyobb15 2. az C+   C   =  C0  négyzetösszeg értéke C+  C  =  C0 esetében a

legkisebb.16 A másodfokú függvény szélsőértékeinek meghatározása A szélsőérték-feladatok egy része megoldható másodfokú függvény minimum és maximumhelyének vizsgálatával. Ennek menete a következő: a feladatok megadott adataiból a közöttük fennálló összefüggések ismeretében a keresett mennyiség (terület, kerület stb.) felírható az egyik adat (oldalhossz, magasság stb) másodfokú függvényeként. Ennek a másodfokú függvénynek keressük a szélsőértékeit a következő módon: Az E: F G F,  H 0 E2C3  C   C  J másodfokú függvény hozzárendelési szabályát teljes négyzetté alakítással átírhatjuk a következő alakba:     K 4J . E2C3   #C  % K 4 2 Az átalakításból leolvashatjuk, hogy az E függvény a képét a normálparabolából milyen geometriai transzformációkkal kaphatjuk meg.
M : Az E: F G F,  H 0 E2C3  C   C  J másodfokú függvény szélsőértékhelye (3. ábra): CNéPőéRSéT

 K 15 16 Hódi 32.o U.a 33o 11  . 2 http://www.doksihu 3. ábra A szélsőérték, ha  U 0, akkor minimum ha   0, akkor maximum. A szélsőértéknél a függvényérték : Az E: F G F,  H 0 függvény zérushelyei az egyenlet gyökei.17 E #K   K 4J  %K . 2 4 E2C3  C   C  J C   C  J  0 A differenciálható függvények szélsőértékeinek meghatározása Elsőként a monotonitás kritériumaival kezdjük.
 : Legyen az E függvény folytonos V, W-ben és differenciálható 2, 3-ben. 1. Az E függvény akkor és csak akkor monoton növekedő (illetve monoton csökkenő) V, W-ben, ha E X 2C3 Y 0 ( illetve E X 2C3 : 0) minden C Z 2, 3-re. 2. Az E függvény akkor és csak akkor szigorúan monoton növő (illetve szigorúan monoton csökkenő) V, W -ben, ha E X 2C3 Y 0 ( illetve E X 2C3 : 0 ) minden C Z 2, 3-re, és ha V, W-nak nincs olyan részintervalluma, amelyen E X azonosan nulla. Az előző tétel segítségével egy

tetszőleges differenciálható függvény lokális és abszolút szélsőértékeit kereshetjük meg, abban az esetben is, ha a függvény nem egy korlátos és zárt intervallumon van értelmezve. Ugyanis a derivált előjeléből megállapíthatjuk, hogy a 17 Matematika 10. 66-67o 12 http://www.doksihu függvény mely intervallumon nő és mely intervallumon csökken, és ez általában elegendő információt ad a szélsőértékek megkereséséhez. Ha E differenciálható az  pontban, akkor ahhoz, hogy E-nek -ban lokális szélsőértéke legyen, szükséges (de általában nem elégséges) feltétele, hogy E X 23  0 teljesüljön. A következő tételek elégséges feltételt adnak a lokális szélsőértékhely létezésére.
 : Legyen az E függvény differenciálható az  pont egy környezetében. 1. Ha E X 23  0, és E X lokálisan növekedő (illetve lokálisan csökkenő) az  helyen, akkor az  pont E-nek lokális minimumhelye (illetve lokális

maximumhelye). 2. Ha E X 23  0, és E X szigorúan lokálisan növekedő (illetve szigorúan lokálisan csökkenő) -ban, akkor az  pont E-nek szigorú lokális minimumhelye (illetve szigorú lokális maximumhelye).
 : Legyen az E függvény kétszer differenciálható az  pontban. Ha E X 23  0 és E XX 23 U 0 , akkor E -nek  -ban szigorú lokális minimuma van. Ha E X 23  0 és E XX 23  0, akkor E-nek -ban szigorú lokális maximuma van. ( E X 23  0 és E X [23  0 esetében a magasabb rendű deriváltak értékéből lehet elégséges feltételt nyerni arra, hogy az  pont E-nek lokális szélsőértékhelye legyen.) Következzenek a konvexitásra vonatkozó feltételek.
/ : Legyen az E függvény differenciálható az intervallumban. 1. Az Efüggvény akkor és csak akkor konvex (illetve konkáv) -ben, ha E X monoton 2. növekedő (illetve csökkenő) -ben. Az Efüggvény akkor és csak akkor szigorúan konvex (illetve szigorúan konkáv) -ben, ha E

X szigorúan monoton növekedő (illetve szigorúan monoton csökkenő) -ben.
8 : Legyen az E függvény differenciálható az intervallumban. Az Efüggvény akkor és csak akkor konvex -ben, ha bármely  Z -re az f függvény grafikonja az  pontba húzott érintő felett halad.
9 : Legyen az E függvény kétszer differenciálható intervallumban. Az E függvény akkor és csak akkor konvex (illetve konkáv) -ben, ha E XX 2C3 Y 0 (illetve E XX 2C3 : 0) minden C Z -re.18 18 Analízis 1. 264-269o 13 http://www.doksihu A differenciálszámítás módszereivel történő szélsőérték-meghatározás első lépése ugyanaz, mint az előző módszernél: az egyik adatból fejezzük ki a többit az ismert összefüggések felhasználásával, és a keresett mennyiség a kifejező adat függvényeként írható fel. Meg kell határoznunk a függvény értelmezési tartományát, majd a differenciálható függvény szélsőértékeit a fent kiemelt tételek

segítségével. Végül ellenőrizni kell az értelmezési tartomány határpontjaiban a függvény- vagy határértéket. A kritikus határértékek meghatározásánál alkalmazhatjuk a következő tételt:
@ :(L’Hospital-szabály): Legyen E és ] differenciálható ^ egy pontozott környezetében, és tegyük fel, hogy itt ] H 0 és ][ H 0. Tegyük fel továbbá, hogy vagy 1. limaGb E2C3  limaGb ]2C3  0, vagy 2. limaGb |]2C3|  ∞ Ha E[2C3  e, aGb ][2C3 lim akkor ebből következik, hogy E2C3  e. aGb ]2C3 lim Itt ^ jelentése lehet egy  valós szám, az   0,  K 0, ∞ vagy K∞, e jelentése pedig egy  valós szám, ∞ vagy K∞. 19 (Az ^ egy pontozott környezetén az 2^ K f, ^  f3 g h^i alakú intervallumot értjük, ahol f tetszőleges pozitív szám.)20 19 20 Analízis 1. 277o U. a 135 14 http://www.doksihu Feladatok I. feladat Adott kerületű téglalapok közül melyiknek maximális a területe? 1. megoldás Jelöljük a téglalap oldalait

-val és -vel. j  22  3 !   !a  ? Alkalmazzuk a
-ban leírt számtani és mértani közép közötti összefüggést a téglalap oldalaira: √ :  j  . 2 4 Állandó számtani közép esetén a mértani közép akkor veszi fel a maximumát, ha a két közép egyenlő. Ez akkor és csak akkor teljesül, ha   . Mivel a téglalap területe éppen a mértani közép négyzete, ezért a terület is ekkor lesz maximális.21 Vagyis adott kerületű téglalapok közül a négyzet területe maximális. 2. megoldás l l Legyen a téglalap egyik oldalának hossza -  C, a másik - K C. Ezek szorzata a két szám összegének és különbségének szorzatára vonatkozó összefüggés alapján: mC Z F esetén j j j #  C% · # K C%  K C. 4 4 16 j j  KC : , 16 16 egyenlőség csak C  0 esetén lehetséges. A téglalap kerülete állandó, a részek szorzata, azaz a téglalap területe akkor maximális, ha C  0. Tehát l mindkét oldal -

hosszúságú, vagyis a téglalap négyzet.22 21 22 Mozaik 10. 97-98o Hódi 37. o 15 http://www.doksihu A feladat következő két megoldása konzultáción hangzott el. 3. megoldás Jelöljük a téglalap oldalait -val és -vel. j  22  3 !   !a  ? Ábrázoljuk a feltételeket egy 2, 3 koordinátarendszerben. (4 ábra) 4. ábra Ekkor a téglalapok origóval szemközti csúcsai egy   j 2 egyenletű egyenesen mozognak. (A csúcspontok tengelyekre vonatkozó merőleges vetületei határozzák meg a téglalapokat, ezek között keressük a maximális területűt.) Azt sejtjük, hogy a maximális területű téglalap a négyzet. 5. ábra Az 5. ábrán pirossal jelöltem a négyzetet, kékkel egy tetszőleges, feltételnek megfelelő téglalapot. Szürkére színeztem a két négyszög közös részét Azt kell belátni, hogy a sárga terület nagyobb, mint a zöld. A sárga téglalap és a zöld téglalap egy-egy oldala egyenlő hosszúságú, mert a

narancssárga háromszög egyenlő szárú, a négyzet másik oldala (ami http://www.doksihu megegyezik a magasságával) pedig nagyobb, mint a téglalap magassága, vagyis a négyzet területe nagyobb. 4. megoldás Jelöljük ismét a téglalap oldalait -val és -vel. j  22  3 !   !a  ? Ábrázoljuk megint a feltételeket egy 2, 3 koordinátarendszerben. (4 ábra) Jelöljük az   j 2 egyenletű egyenes alatti területet !n -vel. Hajtogatással fedjük le a téglalap területét a !n K  területű idommal. (6 ábra) 6. ábra A szürkével jelölt, lefedés után megmaradt háromszög területe !n K 2. A maradék !n K 2 terület akkor minimális, ha  maximális. Akkor nem marad a hajtogatás után maradék, ha !n  2, vagyis a keresett téglalap négyzet. 5. megoldás o j  2  3 2 Jelöljük a téglalap kerületének felét o-sel, oldalait -val és o K -val. Ekkor: !  2o K 3 17 http://www.doksihu !  K  o Az o adott, 

változó. Tekintsük a K  o kifejezést az  másodfokú függvényének. Ennek a másodfokú függvénynek keressük a maximumát. A
M -es tételt alkalmazva a másodfokú függvény szélsőértékhelye: Ko 1  o. K2 2 Mivel K1  0, ezért    o helyen a függvénynek maximuma van. Ekkor + 1 j  o 2 4 4  j, vagyis az adott kerületű maximális területű téglalap a négyzet. 6. megoldás Legyen ismét a téglalap kerületének fele o, oldalai  és o K . !23  K  o A terület  másodfokú függvénye, !23 folytonos az V0, oW intervallumon, és kétszeresen differenciálható a 20, o3 intervallumon. Alkalmazzuk a
 -as tételt. A függvénynek ott lehet szélsőértéke, ahol az első deriváltja 0. !23[  K2  o (o konstans) K2  o  0 1  o 2 A szélsőérték fajtája a második derivált segítségével állapítható meg: !23XX  K2. Mivel K2  0, ezért    o-helyen maximum van, értéke: + 1 1 1 1 ! # o%  K o   o o  o  . 2 4 2

4 Ellenőrizzük a végpontokban a függvényértékeket! !203  0  o0  0 !2o3  Ko   o   0 1  o U0 4 18 http://www.doksihu minden esetben. Így    o esetén a !23 függvénynek valóban maximuma van. +  1 j o 2 4 4  j, vagyis a négyzet területe maximális az adott kerületű téglalapok közül. A feladat első négy megoldása rendkívül ötletes. 1-nél azt használtuk ki, hogy a két oldal számtani közepe éppen a téglalap kerületének negyede, ami adott, mértani közepük pedig a téglalap területének négyzetgyöke. A 2 megoldás alapja a téglalap oldalainak ötletes elnevezése. A 3-ban geometriai úton bizonyítottuk be sejtésünket, a 4. megoldás hajtogatással vezet rá a maradék terület minimalizálására. Az 5 és 6 megoldásnál az első részben leírt módon határoztuk meg a maximális területű téglalapot. II. feladat Adott területű téglalapok közül melyiknek minimális a kerülete?23 1. megoldás Legyen a téglalap

egyik oldala , a másik . !   j  22  3 jp0  ? Alkalmazzuk a
-ban leírt számtani és mértani közép közötti összefüggést -ra és -re.  2  j  √! : 2 4 √ : Állandó mértani közép esetén a számtani közép akkor veszi fel a minimumát, ha a két közép egyenlő. Ez akkor és csak akkor teljesül, ha   . 2 j  2 4 4  j Tehát az adott területű minimális kerületű téglalap a négyzet. 23 Mozaik 10. 98o 6 feladat (Eredetileg a terület 100 J* .) 19 http://www.doksihu A következő megoldás konzultáción hangzott el. 2. megoldás Legyen a téglalap egyik oldala , a másik . !   j  22  3 jp0  ? Ábrázoljuk a feltételeket egy 2, 3 koordinátarendszerben. (7 ábra) 7. ábra Ekkor a téglalapok origóval szemközti csúcsai egy !   egyenletű hiperbolán mozognak. (A csúcspontok tengelyekre vonatkozó merőleges vetületei határozzák meg a téglalapokat, ezek között keressük a minimális

kerületűt.) 8. ábra A 8. ábrán pirossal jelöltem a négyzetet, kékkel egy tetszőleges, feltételnek megfelelő téglalapot (az oldalak színezésével megegyezik az őket jelölő betűk színe). Azt állítjuk, hogy a minimális kerületű téglalap a négyzet, vagyis 4√!  2√!  2q  2C 20 http://www.doksihu 2√!  22q  C3 √!  q  C qr  qC r  C. Ez teljesül, hiszen √! · r  q · C, és q  √!. Vagyis a négyzet kerülete minimális. 3. megoldás Jelöljük a téglalap egyik oldalát -val, a másikat !  -ből kifejezve -val. ! j23  2 #  %  2  2!t+  s A kerület  függvénye, j23 folytonos az 20, ∞3 intervallumon, és kétszeresen differenciálható a 20, ∞3 intervallumon. Alkalmazzuk a
 -as tételt. A függvénynek ott lehet szélsőértéke, ahol az első derivált 0. j[23  K2! t  2 (! konstans) K2!t  2  0 1 !    √! A szélsőérték fajtája a második derivált segítségével állapítható meg:

j[[23  4!t,  4! √! , U 0, ezért   √!-helyen minimum van, értéke: ju√!v  2√!  2! √! 4! ,  4√! Ellenőrizzük a végpontokban a határértékeket. lim 2!t+  2  ∞ Gw lim 2!t+  2  ∞ Gx 21 http://www.doksihu 4√!  ∞ minden esetben. Így   √! esetén a függvénynek valóban minimuma van Ekkor !   , vagyis adott terület mellett minimális kerületű téglalap a négyzet. A II. feladat 1 megoldásánál azt használtuk ki, hogy a két oldal mértani közepe éppen a téglalap területének négyzetgyöke, ami adott, számtani közepük pedig a kerület negyede. A 2-nál geometria úton bizonyítottuk be sejtésünket, a 3 megoldásnál differenciálszámítással határoztuk meg a minimális kerületű téglalapot. A következő feladat megoldásával együtt konzultáción hangzott el. III. feladat Adott kerületű háromszögek közül melyiknek maximális a területe? Jelöljük a háromszög oldalait -val, -vel és

J-vel. Rögzítsük az  oldal hosszát. Rajzoljunk olyan ellipszist, amelyben a fókuszpontok távolsága éppen  , nagytengelye pedig jK J hosszúságú. Így az ellipszis ívén helyezkedik el a háromszög harmadik csúcsa, melynek távolságösszege a két fókuszponttól, azaz a háromszög alapjának végpontjaitól   J. (9 ábra) 9. ábra Adott kerület és rögzített alap esetén a háromszög területe maximális magasság esetén lesz a legnagyobb. A maximális magasság az ellipszis tető- és mélypontjánál lesz. Ekkor   J, vagyis a terület rögzített  oldal mellett egyenlő szárú háromszög estén lesz maximális. Azaz bármely nem egyenlő szárú háromszöghöz létezik ugyanakkora kerületű és nagyobb területű egyenlő szárú háromszög, így elegendő az egyenlő szárúakra megoldani a feladatot. 22 http://www.doksihu Jelöljük az egyenlő szárú háromszög alapját -val, szárait -vel.(10 ábra) 10. ábra Felírhatók a

következő összefüggések:   2  j állandó 2!  * , és Pitagorasz tételéből: *  5   K 2!  5  K 1 1    >4  K    √2  √2 K  2 2 4 1   √j√j K 2  2  √l  4 ahol  pozitív konstans. √j √√√j K 2 2 A
A -cal jelölt tétel alapján írjuk fel √, √, √j K 2 pozitív kifejezésekre a mértani és négyzetes közép közötti összefüggést:    j √  √  √j K 2 6√√√j K 2 : 5 5 . 3 3 y Állandó négyzetes közép esetén a mértani közép akkor veszi fel a maximumát, ha a két közép egyenlő. Ez akkor és csak akkor teljesül, ha √  √j K 2,   j K 2 3  j. Vagyis adott kerületű háromszögek közül a szabályos háromszögnek maximális a területe. 23 http://www.doksihu A harmadik feladatnak egyféle megoldását jegyeztem le, melyben fontos szerepet játszott, hogy a háromszöget ellipszisben helyeztük el, ezek után a terület ötletes felírásával

alkalmazni tudtuk az < db pozitív szám mértani és négyzetes közepére vonatkozó tételt. IV. feladat Bontsunk fel egy adott számot két nem negatív szám összegére úgy, hogy a tagok négyzetösszege a lehető legkisebb legyen!24 Vezessük be a következő jelöléseket és írjuk le a feladatban megfogalmazott összefüggések: { adott, C, r Z F . Mennyi C   r  minimuma? { Cr 1. megoldás Írjuk fel C-re ésr-ra a
8 -ben megfogalmazott számtani és négyzetes közép közötti összefüggést! Cr C  r :5 2 2 { C  r :5 2 2 Állandó számtani közép esetén a négyzetes közép akkor veszi fel a minimumát, ha a két közép egyenlő. Ez akkor és csak akkor teljesül, ha Cr Vagyis a tagok négyzetösszege akkor minimális, ha a számot felezzük. 2. megoldás Alkalmazzuk a
B -cel jelölt tételt: C, r Z F , az C  r  { állandó, C  r négyzetösszeg értéke C  r esetén a legkisebb. 24 Mozaik 10. 102o 6 feladat alapján 24

http://www.doksihu 3. megoldás Tekintsük a C   2{ K C3  2C  K 2{C  { kifejezést C másodfokú függvényének. Ennek a másodfokú függvénynek keressük a minimumát. Alkalmazzuk a
M -es tételt! A másodfokú függvény szélsőértékhelye: 2{ 1  {. 4 2 Mivel 2 U 0, ezért C   { helyen a függvénynek minimuma van. + 1 r{K { 2 r  C, vagyis a négyzetösszeg akkor a legkisebb, ha a számot felezem. 4. megoldás A négyzetösszeg felírható C másodfokú függvényeként: 42C3  2C  K 2{C  { . Ennek a másodfokú függvénynek keressük a minimumát. 42C3 folytonos az V0, {W intervallumon, és kétszeresen differenciálható a 20, {3 intervallumon. Alkalmazzuk a
 -as tételt. Az 42C3-szel jelölt függvénynek ott lehet szélsőérték, ahol az első derivált nulla. 4[2C3  4C K 2{  0 ({ konstans) 1 { 2 A szélsőérték fajtája a második derivált segítségével állapítható meg: C 4[[2C3  4 4 U 0, ezért C   {-nél minimum van,

értéke: + 1 1 1 1 4 # {%  2 { K 2{ {  {  { . 2 4 2 2 Ellenőrizzük a végpontokban a függvényértékeket! 4203  0 K 2C0  {  { 42{3  2{ K 2{{  {  { 25 http://www.doksihu 1  {  { , 2 minden esetben. C   { valóban minimum + Azaz a négyzetösszeg akkor a legkisebb, ha a számot felezzük. A feladatot geometriai példára is átfogalmazhatjuk: Egy szakasz fölé két négyzetet rajzolunk. Mekkora oldalhosszúság esetén lesz a két négyzet területe minimális.25 (11 ábra) 11. ábra Legyen a szakasz hossza {, a négyzetek oldalának hossza C és r. minimumát keressük. !  C  r 5. megoldás26 12. ábra Az előző megoldások alapján az a sejtés, hogy egybevágó négyzetek esetén lesz a terület a lehető legkisebb. Ennek bizonyításához a 12 ábrán pirossal jelöltem az adott szakasz tetszőleges felosztásához tartozó négyzeteket, kékkel a két egybevágó négyzetet, melyek oldalhosszúsága  {. A pirossal és kékkel +

kiemelt négyzetek közös részét szürkére színeztem. A két, sárgával jelölt téglalap egybevágó, a két kék négyzet együttes területe a zöld téglalap területével kisebb a piros négyzetek területénél. A zöld téglalap egyik oldala az adott szakasz felosztásakor keletkezett részek különbsége, a másik oldala 25 26 Hódi 10.17 feladat U.a 46o 26 http://www.doksihu ennek a fele. Látható, hogy az adott szakasz kétféle felosztásához tartozó négyzetek területe annál kevésbé különbözik egymástól, minél kisebb a különbség az adott szakasz két része között. A IV. feladat 1 megoldásánál azt használtuk ki, hogy a két szám ( C és r ) számtani közepe éppen az adott szám ({) fele. A 2 3 4 megoldásnál a szükséges átalakítások után az 1. rész megfelelő tételeit alkalmaztuk Az 5 megoldás ötlete az volt, hogy az algebrai példa átfogalmazható geometriai feladattá. Ezután sejtésünket átdarabolással

bizonyítottuk. Vizsgálhatjuk a feladatot szabályos háromszögek esetén. V. feladat Adott hosszúságú szakaszt két részre vágunk, mindkét rész fölé egy-egy szabályos háromszöget rajzulunk. Milyen hosszúságú szakaszoknál lesz a két szabályos háromszög területének összege minimális?27 (13. ábra) 13. ábra Az V. feladatnál is alkalmazható a IV feladat 1 2 3 és 4 megoldási menete, és az 5. feladathoz hasonló átdarabolás, melynek megoldási ötlete konzultáción hangzott el: 5. megoldás 14. ábra Az a sejtés, hogy egybevágó szabályos háromszögek esetén lesz a terület a lehető legkisebb. Ennek bizonyításához a 14 ábrán pirossal jelöltem az adott 27 Matematika 10. 69 o 5 példa (Eredetileg a szakasz hossza 20 cm) 27 http://www.doksihu szakasz tetszőleges felosztásához tartozó háromszögeket (oldalhosszúságaik C és r, C U r3, és kékkel a két egybevágó háromszöget ( { oldalhosszúsággal ). + A pirossal és

kékkel kiemelt háromszögek közös részét szürkére színeztem. A két, sárgával jelölt paralelogramma egybevágó, mert a megfelelő szögeik megegyeznek, és rövidebb oldaluk 1 1 1 C K {  2{ K r3 K {  { K r, 2 2 2 a hosszabbik r hosszúságú. A két egybevágó háromszög együttes területe a zöld paralelogramma területével kisebb a piros háromszögek területénél. A zöld paralelogramma mindkettő oldala  { K r hosszúságú. Vagyis az adott szakasz kétféle + felosztásához tartozó részek területe annál kevésbé különbözik egymástól minél kisebb a zöld paralelogramma területe. VI. feladat Adott a síkban egy | egyenes és az egyenes ugyanazon oldalán Hogyan lehet az -ból -be az | egyenes érintésével az és pontok. alakú legrövidebb úton eljutni? 1. megoldás 15. ábra A 15. ábrán kékkel jelöltem az | egyenesen tetszőlegesen felvett tartozó útvonalat. Tükrözzük az távolságtartó tulajdonsága miatt

egyenestől, mint . Az [ ponthoz pontot az | egyenesre. A tengelyes tükrözés képe, [ ugyanakkora távolságra van az | útvonal, vagyis a vele megegyező hosszúságú útvonal akkor lesz a legrövidebb (pirossal jelölve [ ), ha egyenes, vagyis az érintési pont az [ szakasz és az | egyenes metszéspontja.(15 ábra) 28 http://www.doksihu 2. megoldás28 16.ábra Alkalmazzuk a 16. ábrán látható jelöléseket Pitagorasz tétele alapján felírhatók a következő összefüggések: vagyis az J+  >  C  J  >   2} K C3 , útvonal hossza kifejezhető C függvényeként (} az | egyenesre való merőleges vetületeinek távolsága): E2C3  J+  J  >  C   >   2} K C3 + és pontok +  2  C  3  2   2} K C3 3 Ennek az E2C3 függvénynek keressük a minimumát. Alkalmazzuk a
 -as tételt. Az E2C3 függvénynek ott lehet szélsőérték, ahol az első derivált nulla (, , } konstans). + + 1 1 E X 2C3  2  C  3t

· 2C  2   2} K C3 3t · 2K2}  2C3  2 2 2C K2}  2C    2√  C  2>   2} K C3  C √  C  K }KC >   2} K C3 cos ^ K cos e  0 cos ^  cos e ^e 28 Beke 79.o 5 kidolgozott példa 29  http://www.doksihu Vagyis az útvonal akkor a legrövidebb, ha az útszakasz ugyanakkora (Az A pontból induló | tükörből visszaverődő -be érkező fénysugár is szöget zár be az | egyenessel, mint a . ugyanezt az utat járja be.) A VI. feladat 1 megoldása elemi matematika szemináriumon is elhangzott, 2 megoldása szögfüggvényekre való ötletes visszavezetése miatt keltette fel a figyelmemet. A következő feladat megoldásával együtt konzultáción hangzott el. VII. feladat Egy épületben egy 1,6 * széles és egy 2,4 széles folyosó keresztezi egymást. Be tudunk-e fordulni 6 * hosszú létrával a 2,4 széles folyosóról az 1,6 széles folyosóra.(17 ábra) 17. ábra Befordulás közben a létra a 16. ábrán látható

módon érinti a folyosó sarokélét Ebben a helyzetben meghatározható, hogy mekkora lehet a létra minimális hosszúságú. A két egyvonalas szög egyállású. A jelölt derékszögű háromszögekre felírhatók a következő összefüggések. 1,6 cos ^ 2,4 r sin ^ 2,4 1,6  E2^3  C  r  cos ^ sin ^ C minimumát keressük. 30 http://www.doksihu Alkalmazzuk a
 -as tételt. Az E2^3-val jelölt függvénynek ott lehet szélsőérték, ahol az első derivált nulla. E X 2^3  21,62cos ^3t+  2,42sin ^3t+ 3X  K1,62cos ^3t · 2K sin ^3 K 2,42sin ^3t cos ^  1,6 sin ^ 2,4 cos ^ K 0 2cos ^3 2sin ^3 1,62sin ^3,  2,42cos ^3, 2tan ^3,  2,4 1,6 2tan ^3,  1,5 tan ^ ^ 1,1447 48,86° A szélsőérték fajtája a második derivált előjeléből állapítható meg: E XX 2^3  K1,6 · 2K232cos ^3t, · 2K sin ^3 · 2K sin ^3 K 1,6 · 2Kcos ^32cos ^3t K 2,4 · 2K232sin ^3t, cos ^ · cos ^  2,4 · sin ^ · 2sin ^3t  3,22sin ^3 1,6 cos ^ 4,82cos ^3 2,4 sin ^

     2cos ^3, 2cos ^3 2sin ^3, 2sin ^3 3,22sin 48,86°3 1,6 cos 48,86° 4,82cos 48,86°3 2,4 sin 48,86°    2cos 48,86°3, 2cos 48,86°3 2sin 48,86°3, 2sin 48,86°3 vagyis ^ 6,37  2,43  4.86  3,19 16,85 U 0, 48,86° -nál valóban minimum van, értéke: 2,4 1,6  cos 48,86° sin 48,86° 2,43  3,19 azaz 6 *-es létrával nem tudunk befordulni. 5.62  6 Az eredeti feladat megoldásához a differenciálszámítást használtuk, mivel itt elemi megoldást nem ismerünk. Ha azonban a két folyosó keresztmetszete egyforma méretű, akkor a következő szép elemi megoldás adódik. E2e3  C  r  minimumát keressük. 1 1  cos e sin e Felhasználva a
9 -ban jelölt összefüggést felírható sin e -ra és cos e -ra a harmonikus és négyzetes közép közötti összefüggés. 31 http://www.doksihu 2 1 1  sin e cos e :5 2sin e3  2cos e3 √2  2 2 Állandó négyzetes közép esetén a harmonikus közép akkor veszi fel a maximumát, ha a két

közép egyenlő. Ez akkor és csak akkor teljesül, ha sin e  cos e e  45° 1 1 1 4 1     cos 45° sin 45° √2 √2 √2 2 2 2,83, azaz 1 *-es folyosók kereszteződésébe legfeljebb 2,83 hosszú létrával lehet befordulni. VIII. feladat Adott felszínű egyenes hengerek közül melyiknek maximális a térfogata?(18. ábra) 18. ábra Vezessük be az alábbi jelöléseket: legyen az egyenes henger alapkörének sugara Š, magassága *, a felszíne , térfogata ‹. Tudjuk, hogy  2Š  Œ  2ŠŒ* és Mennyi ‹ maximuma, ha 1. megoldás így ‹  Š  Œ*. állandó?  2Š  Œ  2ŠŒ*  2ŠŒ2Š  3 * 2ŠŒ K Š, Š Œ K Š%  K Š , Œ  Š # K Š  Œ%. ‹  Š Œ # 2ŠŒ 2 2ŠŒ 32 http://www.doksihu Szorozzuk be mindkét oldalt 2‹Œ-vel: 2‹  Œ  2Š  Œ # K Š2 Œ% # K Š  Œ% 2 2 ‹ ugyanott maximális, ahol 2‹  Œ. 2Š  Œ # K Š  Œ% # K Š  Œ% 2 2 három olyan pozitív tényező szorzata, melynek összege állandó: 2Š  Œ 

# K Š2 Œ%  # K Š  Œ%  . 2 2 Alkalmazzuk a
B . tételtAkkor lesz a térfogat maximális, ha 2Š  Œ  # K Š2 Œ%. 2 Ebből: 3Š  Œ  2 Š5 6Œ és A maximális térfogat pedig *  25 . 6Œ 1 5 . 29 # K Œ%  ‹5 3 6Œ 6Œ 2 6Œ 2. megoldás Fejezzük ki újra *-et az első egyenletből: * így ‹2Š3  Š  Œ # 29 2ŠŒ 2ŠŒ K Š%  Hódi 77.o 33 K Š, Š Œ K Š , Œ  KŠ , Œ  Š 2ŠŒ 2 http://www.doksihu A térfogat Š harmadfokú függvénye. ‹2Š3 folytonos az 0, 6  Ž  intervallumon, és kétszeresen differenciálható a ‘0, 6’ intervallumon. Ž Alkalmazzuk a
 -as tételt. A ‹2Š3 függvénynek ott lehetséges szélsőértéke, ahol ‹[2Š3  0. mert ‹ X 2Š3  K3ŒŠ   , 2 és Œ állandó. K3ŒŠ   Š  2 6Œ Š5 0 6Œ A szélsőérték fajtája a második derivált előjeléből állapítható meg: ‹ XX 2Š3  K6ŒŠ ‹ XX “5 6Œ ”  K6Œ5  0 6Œ ezért Š  6• estén a függvénynek

maximuma van, értéke: Ž ‹ “5 6Œ ” 5 # K Œ%  5 . 6Œ 2 6Œ 3 6Œ Ellenőrizzük a végpontokban a függvényértékeket! ‹203  0 # K 0Œ%  0 2 ‹ “5 2Œ ”5 # K Œ%  0 2Œ 2 2Œ vagyis , 6• valóban maximum. Ž Ž 5 U 0, 3 6Œ Az ehhez a sugárhoz tartozó magasság: 34 http://www.doksihu *  25 . 6Œ Adott felszínű egyenes hengerek közül az , 6• sugarú és 26• magasságú hengernek Ž Ž Ž maximális a térfogata. A VIII. feladat 1 elemi megoldása egyszerűbb, mint a differenciálszámítás módszereit alkalmazó 2., előbbihez azonban ismerni kell a
B -cel jelölt tételt 35 http://www.doksihu Befejezés Szakdolgozatomban bemutattam a szélsőérték-feladatok megoldási módszerei közül a két pozitív, és n darab pozitív számra felírható számtani, mértani, harmonikus és négyzetes közép közötti egyenlőtlenségekre, a másodfokú függvény vizsgálatára és a differenciálszámításra vonatkozó

tételeket, melyeket egyéb elemi matematikából ismert módszerekkel együtt a feladatok megoldásánál alkalmaztam. Nem definiáltam, csak analízis tanulmányaim alapján felhasználtam az intervallum, monotonitás, abszolút szélsőérték, korlátosság, határérték, folytonosság és a differenciálhatóság fogalmát, mert nem a differenciálszámítás bevezetése volt a célom. Szakdolgozatom mindkét részéből kihagytam az ún. optimalizálási módszereket, mert ezeket eddigi egyetemi tanulmányaim alatt nem tanultam a szakdolgozat szintjének megfelelő részletességgel. A feladatokat igyekeztem nehézségi sorrendben, egymásra épülve közölni, kezdve véleményem szerint a témakör alapfeladatával. A megoldásoknál a bevezetőben megfogalmazott célkitűzésemet követtem: a módszerek többsége gimnáziumi tananyagra épít, ezek mellett a feladatok többségénél megtalálható a differenciálszámítással történő megoldás is. Szakdolgozatom

anyaggyűjtése során sok új példával és ötlettel találkoztam, ezeket minden bizonnyal a későbbiekben is tudom majd alkalmazni. 36 http://www.doksihu Felhasznált irodalom Analízis 1. Laczkovich Miklós – T. Sós Vera: Analízis 1 Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005. Beke Dr. Beke Manó: Bevezetés a differenciál- és integrálszámításba 3. kiadás Gondolat, Budapest, 1965 Hódi Hódi Endre: Szélsőérték-feladatok elemi megoldása. 3, átdolg kiadás. Typotex, Budapest, 1994 Matematika. 10 Hajnal Imre - Számadó László - Békéssy Szilvia: 10. Matematika a gimnáziumok számára. 2 kiadás Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2003. Mozaik 10. Kosztolányi József - Kovács István - Pintér Klára - Dr. Urbán János - Vincze István: Sokszínű matematika. 10 Mozaik, Szeged, 2008. Reiman Reiman István: A geometria és határterületei. Gondolat, Budapest, 1986. Szikszai Dr. Szikszai József: A hatványközepek Középiskolai szakköri füzet.

Tankönyvkiadó, Budapest, 1987 GeoGebra GeoGebra rajzolóprogram, In: www.geogebraorg (telepítve: 2010. 04 08) 37