将长为的铁丝分成三段,依次围成圆、正方形与正三角形,三个图形的面积之和是否存在最小值?若存在,求出最小值。
答案
存在最小值,为
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设围成圆、正方形、正三角形的三段长度分别为 米,实际要求 且 。圆半径为 ,正方形边长为 ,正三角形边长为 ,故面积和为
先把可行集扩展为允许 的闭三角形,连续函数 在此紧集上有最小值;最后若最优三段均为正,就仍是原问题的最小值。
内部候选点由 给出。令 ,一阶条件为 ,故 。由总长条件,,其中 。因此候选长度为
均为正,其面积和为 。
边界也需比较。由二项柯西不等式 ,在 的三条边上,最小面积和依次为
它们都严格大于 ,故扩展可行集的最小值在上述正长度点取得,也符合原问题要求。最小面积和存在,为 平方米。
仍设三段周长为 ,。由圆、正方形及正三角形的面积公式,
由柯西不等式,
等号条件为 ,结合总长 ,得到三段长度依次为 、、,其中 。三者均为正且和为 ,所以等号可达,直接证明原问题确有最小值,且为 平方米。