mathématiques (PTSI) · Chapitre 18 · Application directe du cours
Optimisation concrète
Fonctions de deux variables · D. Extremums · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Une boîte parallélépipédique sans couvercle doit avoir un volume de litres. Quelles dimensions minimisent la surface de matériau ?
Corrigé
La stratégie : réduire à deux variables par la contrainte, trouver le point critique, puis prouver la globalité par une inégalité — pas par un argument « au bord », qui demanderait un théorème d'existence hors programme.
La mise en équation. Dimensions (base) et (hauteur), en décimètres, avec , donc . La surface (fond et quatre faces) :
Le point critique. , puis et , avec dm². C'est le seul candidat — mais un point critique n'est pas un minimum, et « au bord » ne suffit pas sans un théorème d'existence qui n'est pas au programme.
La globalité, par . Posons , , : trois nombres strictement positifs, de produit . Appliquons (égalité si et seulement si ) à , et , et ajoutons : Donc pour tous , avec égalité si et seulement si , c'est-à-dire . Le minimum global est dm², pour la boîte — base carrée, hauteur moitié du côté.
Ce que l'exercice installe. Tout problème d'optimisation à contrainte simple se ramène à deux variables et à un point critique ; la globalité se prouve par une inégalité — la même que pour le maximum de sur le triangle —, jamais par un simple regard au bord.