Detaillierte Lösung eines Extremwertproblems

Dieses Kapitel führt durch die detaillierte Lösung des Beispielproblems, bei dem mit 400m Zaun die größtmögliche Fläche eingezäunt werden soll. Es zeigt Schritt für Schritt, wie man ein Extremwertproblem mit Nebenbedingungen angeht.

1. Zunächst wird die Hauptbedingung aufgestellt: A$a,b$ = a · b, was die Fläche des Rechtecks darstellt.

2. Die Randbedingung wird formuliert: U$a,b$ = 2a + 2b = 400m, was den Umfang des Zauns repräsentiert.

3. Die Randbedingung wird nach einer Variablen umgeformt: b = 200 - a

4. Diese umgeformte Gleichung wird in die Hauptbedingung eingesetzt, um die Zielfunktion zu erhalten: A$a$ = -a² + 200a

5. Die Extremstelle der Zielfunktion wird bestimmt, indem die erste Ableitung gleich Null gesetzt wird: A'$a$ = -2a + 200 = 0, woraus sich a = 100 ergibt.

6. Schließlich werden die restlichen Größen berechnet: a = 100m, b = 100m

Highlight: Dieser systematische Ansatz demonstriert, wie man komplexe Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen schrittweise lösen kann.

Maximierung einer Rechtecksfläche unter einer Parabel

In diesem Abschnitt wird ein fortgeschrittenes Extremwertproblem behandelt: die Maximierung einer Rechtecksfläche unter einer gegebenen Parabel. Dies ist ein klassisches Beispiel für Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen.

Die gegebene Parabel ist f$x$ = -x² + 5. Das Ziel ist es, die größtmögliche Rechtecksfläche zu finden, die unter dieser Parabel liegt und auf der x-Achse aufliegt.

Der Lösungsansatz umfasst folgende Schritte:

1. Aufstellen der Flächenfunktion: A$x₁$ = 2x₁$-x₁² + 5$
2. Vereinfachung zu A$x₁$ = -2x₁³ + 10x₁
3. Berechnung der Extrempunkte durch Ableitung und Nullsetzen
4. Bestimmung des Maximums bei x₁ = √(5/3)

Beispiel: Die maximale Fläche beträgt etwa 8,61 Flächeneinheiten und wird erreicht, wenn x₁ ≈ 1,29.

Highlight: Dieses Beispiel zeigt die Anwendung von Extremwertaufgaben in komplexeren geometrischen Kontexten und demonstriert die Nützlichkeit der Differentialrechnung bei der Lösung solcher Probleme.

Verschiedene Anwendungen von Extremwertproblemen

Dieses Kapitel präsentiert eine Reihe von Anwendungen für Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen. Es zeigt, wie vielseitig diese mathematische Technik in verschiedenen praktischen Situationen eingesetzt werden kann.

Folgende Beispiele werden vorgestellt:

1. Maximierung des Flächeninhalts eines Rechtecks mit gegebenem Umfang
2. Optimierung der Fläche eines Kreises
3. Maximierung des Volumens eines Quaders

Vocabulary:

• Flächeninhalt: A = a · b (für Rechtecke)
• Flächeninhalt Dreieck: A = ½ · g · h
• Volumen Quader: V = a · b · c
• Umfang: U = 2a + 2b (für Rechtecke)

Diese Formeln bilden die Grundlage für die Hauptbedingungen (HB) und Nebenbedingungen (NB) in den jeweiligen Aufgaben.

Highlight: Die Vielfalt der Beispiele zeigt, dass Extremwertaufgaben in verschiedenen Bereichen der Geometrie und darüber hinaus anwendbar sind.

Lösung eines komplexen Extremwertproblems

In diesem Abschnitt wird ein detailliertes Beispiel für eine Extremwertaufgabe mit Nebenbedingungen vorgestellt und gelöst. Die Aufgabe besteht darin, die maximale Fläche zu finden, die mit 60m Zaun für drei Seiten eines Rechtecks eingezäunt werden kann.

Der Lösungsweg umfasst folgende Schritte:

1. Aufstellen der Hauptbedingung: A$a,b$ = a · b
2. Formulieren der Nebenbedingung: U$a,b$ = 2a + b = 60
3. Umformen der Nebenbedingung: b = 60 - 2a
4. Aufstellen der Zielfunktion: A$a$ = 60a - 2a²
5. Berechnung der Extremstelle durch Ableitung und Nullsetzen
6. Überprüfung der hinreichenden Bedingung für ein Maximum

Beispiel: Die Lösung ergibt, dass die maximale Fläche bei a = 15m und b = 30m erreicht wird, mit einem Flächeninhalt von 450 m².

Highlight: Dieses Beispiel demonstriert die praktische Anwendung von Extremwertaufgaben mit Lösungen und zeigt, wie mathematische Methoden zur Optimierung in realen Situationen eingesetzt werden können.

Weitere Beispiele für Extremwertaufgaben

Dieses Kapitel präsentiert eine Reihe zusätzlicher Beispiele für Extremwertaufgaben, die verschiedene Anwendungsbereiche und Komplexitätsstufen abdecken.

1. Maximierung der Fläche mit 400m Zaun
2. Maximierung der Fläche unter einer Parabel
3. Optimierung eines Kartonvolumens
4. Maximierung des Gewinns in Abhängigkeit von Preis und Menge
5. Gewinnmaximierung unter Berücksichtigung von Produktionskosten

Jedes Beispiel folgt dem grundlegenden Ansatz:

• Aufstellen der Hauptbedingung (HB)
• Formulieren der Nebenbedingung (NB)
• Ableiten der Zielfunktion

Beispiel: Bei der Gewinnmaximierung wird die Funktion G$x$ = $7200 + 1000x$ · $20 - 2x$ aufgestellt, wobei x die Preisänderung darstellt.

Highlight: Diese Vielfalt an Beispielen zeigt, dass Extremwertaufgaben nicht nur in der Geometrie, sondern auch in der Wirtschaft und anderen Bereichen Anwendung finden.

Abschließende Betrachtungen zu Extremwertaufgaben

Dieses letzte Kapitel fasst die wichtigsten Aspekte von Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen zusammen und bietet ein komplexes Beispiel zur Vertiefung des Verständnisses.

Das Beispiel behandelt die Maximierung einer Fläche unter einer Parabel mit der Funktion f$x$ = -x² + 4, wobei verschiedene Punkte berücksichtigt werden müssen:

• Ein Punkt im Ursprung
• Ein Punkt auf der x-Achse im ersten Quadranten
• Ein Punkt auf der y-Achse

Der Lösungsansatz umfasst:

1. Aufstellen der Hauptbedingung: A$u$ = a · b
2. Formulieren der Nebenbedingung: b = -u² + 4
3. Ableiten der Zielfunktion: A$u$ = 4u - u³

Highlight: Dieses abschließende Beispiel demonstriert die Anwendung von Extremwertaufgaben in einem komplexen geometrischen Kontext und zeigt, wie verschiedene mathematische Konzepte zusammenspielen.

Vocabulary:

• Ableitung: A'$u$ = 4 - 3u²
• Zweite Ableitung: A"$u$ = -6u

Diese Zusammenfassung unterstreicht die Vielseitigkeit und Bedeutung von Extremwertaufgaben mit Lösungen in der Mathematik und ihrer praktischen Anwendungen.

Einführung in Extremwertprobleme mit Nebenbedingungen

Dieses Kapitel führt in das Konzept der Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen ein. Es erklärt den grundlegenden Ansatz zur Lösung solcher Probleme und stellt die wichtigsten Schritte vor.

Definition: Extremwertprobleme mit Nebenbedingungen sind Aufgaben, bei denen man die Technik der Extremwertberechnung nutzt, um Probleme zu lösen, bei denen die zu optimierende Funktion zunächst noch nicht existiert.

Der Lösungsprozess umfasst drei Hauptschritte:

1. Aufstellen der Zielfunktion
2. Formulieren der Nebenbedingung
3. Bestimmung des Extremwerts

Beispiel: Ein praktisches Beispiel wird vorgestellt, bei dem mit 400m Zaun ein möglichst großes Gebiet eingezäunt werden soll. Dies demonstriert die Anwendung der Methode auf ein reales Problem.

Highlight: Die Aufgabe besteht darin, aus verschiedenen Bedingungen zunächst die Funktion zu bestimmen, bevor man ihre Extrema berechnet.