等产量线和最小成本组合

一家公司要生产 400 把遮阳伞。为此它需要劳动( 个劳动小时)和机器( 个机器小时)。一个劳动小时 60 €,一个机器小时 20 €。生产这 400 把伞有很多种配方 。哪一种最便宜?

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 400 把伞 蓝色:400 把伞的所有配方。 直线:用 280 € 能买到的所有组合。 280 €320 € 它碰不到曲线:钱不够。 预算增加:直线平行地向外移动。 280 € 到 320 € 时,它第一次碰到曲线:在 (3 | 7)。 (3 | 7) 这就是最便宜的配方。多花钱就是浪费。

最便宜的配方叫做最小成本组合(简称 MKK)。这里是 :3 个劳动小时和 7 个机器小时,共 320 €。钱再少就做不出 400 把伞;钱再多就是浪费。

等产量线

先看所有配方组成的曲线。公司把生产 400 把伞的配方写成一个函数:

代入劳动小时数 。 本身就代表 :它告诉你这时需要多少机器小时 。表中:左边是 ,中间是分母 ,右边是 。

劳动分母机器
2.50.5
31
42
53
86
x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 I(x) = 3x − 2+ 4 xy 表中每一行是一个配方,也就是一个点。 2.510 37 45.5 55 84.5 所有配方合在一起:一条曲线。 劳动越多,机器就越少。

这条曲线叫做等产量线(“产量相同”):每个点都得到同样的 400 把伞。也写作 。

练习 1:求等产量线函数的定义域和值域。

这个函数是分式有理函数。它有两个分支:

x 劳动 (h) y 机器 (h) −2 −1 1 2 3 4 5 6 7 8 −8 −4 4 8 12 16 20 24 I(x) = 3x − 2+ 4 右边:配方的曲线。 这个函数还有第二个分支,在 x = 2 的左边。 竖直渐近线:x = 2(那里分母为 0)。 x = 2 水平渐近线:y = 4。 y = 4 左边:y 小于 4,常为负。得不到 400 把伞:无意义。 ✗无意义 只有右边的分支有意义:x > 2。

在数学上只有 不能代入。在经济上只有右边的分支有意义。这就是经济定义域:

简写:,。圆括号的意思是:边界不包括在内。

等成本线

现在看直线。一个配方 的成本是:

这里:。这个成本函数要和等产量线画在同一张图里。为此左边必须只剩下 。每一步都做相反的运算:

整理后:

代入 60 和 20:

一条等成本线(“成本相同”)包含所有恰好花费 欧元的配方。

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 y = −3x + K/20 是一族直线:每个 K 对应一条。 200 € 300 € 400 € 斜率都一样(−3)。只有起点 K/20 不同。 K = 450 €:起点在450 : 20 = 22.5。 22.5 然后向右 1,向下 3。 13 多 1 h 劳动:+60 €。少 3 h 机器:−60 €。 450 € 只有 x ≥ 0 且 y ≥ 0的部分有意义。

用原来的配方,公司要花 450 €。450 € 的一个例子是 :。它不在等产量线上:它用了 7.5 个机器小时;而生产 400 把伞只需要 5 个,因为 。

练习 2:到目前为止的成本是 450 €。写出目前成本对应的等成本线。

这就是直线族里 450 € 的那条直线:起点在 22.5,然后向右 1、向下 3。

斜率 只取决于价格。截距 取决于预算:450 € 得 22.5,350 € 得 17.5,320 € 得 16。

相交还是相切

为什么直线与曲线相切的那个点是最便宜的配方?上面预算从 280 € 增加到 320 €。如果预算继续增加,会怎样?

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 280 € 320 €350 € (3 | 7) 前面看到:280 € 不够,320 € 在 (3 | 7) 相切。 预算再多一些:350 €。 320 € 它与曲线相交两次:(2.5 | 10) 和 (4 | 5.5)。 (2.5 | 10)(4 | 5.5) 这些也可以,但要 350 €。(3 | 7) 只要 320 €。 多 30 €:浪费了。最便宜的配方:相切。

检验:

- : - : - :

计算时怎样认出切点?

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 y = −3x + 16 直线的斜率:x 前面的数,也就是 −3。 31 切线:在 (3 | 7) 只与曲线相切的直线。 切线 它的斜率是 I′(x)。它的三角形: 31 两个三角形:向下 3,向右 1。一样陡:I′(x) = −3。

计算最小成本组合

练习 3:求最小成本组合以及相应的最小生产成本。写出最小成本对应的等成本线。

为了求 ,把分式写成幂的形式:

为什么:I′(x) 是曲线的斜率。先看法则: f(x) = x−1 f′(x) = −1 f′(x) = (−1) · x−2 指数移到前面,新指数:−1 − 1 = −2。 I(x) 也一样:(x − 2)当作 x 来处理。 I(x) = 3 · (x − 2)−1 + 4 单独的数 + 4:求导时消失。 I(x) = 3 · (x − 2)−1 + 4消失 I′(x) = (−1) · 3 · (x − 2)−2 (−1) · 3 = −3: I′(x) = −3 · (x − 2)−2 指数 −2 的意思是:除以平方。 I′(x) = −3(x − 2)²

现在令两者一样陡:。

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 x = 2 −3(x − 2)²= −3| · (x − 2)² −3 = −3 · (x − 2)²| : (−3) 1 = (x − 2)²| 开平方 x − 2 = 1  或  x − 2 = −1 x = 3  或  x = 1 为什么有两个?左边也有一个斜率为 −3 的点。 x = 1:左边的分支,舍去 ✗ x = 3 成立:y = I(3) = 31+ 4 = 7 (3 | 7)

结果:

- 最小成本组合:MKK ,即 3 个劳动小时和 7 个机器小时。 - 最小成本:。 - 最小成本对应的等成本线:。检验:。✓

方法

60 € 和 20 € 换成 和 , 换成任意一条等产量线 。

步骤例子一般
1解出
2求
3
4; 舍去 在 内
5
6把 代入

最小成本组合在等成本线与等产量线相切的地方。在那里:

对应的等成本线:

其他价格

等产量线不变,但劳动便宜: €, €。价格写成“劳动 : 机器”的一对数,这里是 20 : 60。

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 2 4 6 8 10 12 60 : 20 灰色:之前,价格 60 : 20。斜率 −3,点 (3 | 7)。 现在价格 20 : 60。斜率 −1/3:平缓。 经过 (3 | 7) 时它与曲线相交:还可以更便宜。 它向内移动,直到只与曲线相切。 (5 | 5)20 : 60, 400 € 切点更靠右:劳动更多。

计算如下:

得 ; 得 ,不在 内。

同一条等产量线的另外两组价格:

- €, €:斜率又是 。所以切点同样是 ,只是更贵: €。 - €, €:斜率是 ,所以 ,,。成本: €。

价格斜率MKK成本
60 : 20320 €
20 : 60400 €
90 : 30480 €
80 : 60640 €

价格比相同,MKK 就相同。价格比不同,MKK 就不同。

另一条等产量线

, €, €。这里 ,即 。

x 劳动 (h) y 机器 (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 4 8 12 16 20 24 (3 | 8) y = −3x + 17I(x) = 12/(x − 1) + 2

得 ; 得 ,不在 内。

对于这种形式的等产量线,方程有两个解。一个在 之外(在左边的分支上),另一个就是最便宜的配方:等成本线与等产量线相切的那个点。

你来试试
已知 , €, €。a) 求最小成本组合。b) 求最小成本和对应的等成本线。
答案
a) ,所以 。; 的情况不在 内。。MKK 。b) €。直线:。检验:。