Extremwertprobleme mit Nebenbedingungen - Der 5-Schritte-Plan
Du kennst das Problem: Mit 400m Zaun sollst du ein möglichst großes rechteckiges Gebiet einzäunen. Solche Extremwertprobleme mit Nebenbedingungen löst du systematisch in fünf Schritten.
Zuerst stellst du die Hauptbedingung auf - das ist das, was maximiert oder minimiert werden soll hier:Fla¨cheA=a⋅b. Dann kommt die Nebenbedingung, also die Einschränkung hier:UmfangU=2a+2b=400m.
Im dritten Schritt erstellst du die Zielfunktion, indem du eine Variable durch die andere ersetzt: A(a) = -a² + 200a. Danach leitest du ab und suchst die Nullstellen der ersten Ableitung: A'(a) = 0 ergibt a = 100m.
Merktipp: Die zweite Ableitung verrät dir, ob es ein Maximum (f''(x) < 0) oder Minimum (f''(x) > 0) ist!
Extrempunkte und Wendepunkte bestimmen
Extrempunkte findest du mit der bekannten Methode: Erste Ableitung gleich null setzen (notwendige Bedingung), dann die zweite Ableitung prüfen (hinreichende Bedingung). Ist f''(x) < 0, hast du einen Hochpunkt; ist f''(x) > 0, einen Tiefpunkt.
Bei Wendepunkten setzt du die zweite Ableitung gleich null. Die dritte Ableitung darf nicht null sein, sonst musst du das Vorzeichenwechselverhalten prüfen.
Wendetangenten berechnest du, indem du die Steigung m = f'xWP am Wendepunkt bestimmst und dann die Geradengleichung y = mx + n aufstellst.
Funktionsscharen und weitere Konzepte
Funktionsscharen enthalten zusätzlich zur Variablen x noch einen Parameter (meist a), wodurch verschiedene Funktionen entstehen. Den Parameter behandelst du wie eine normale Zahl, nicht wie eine Variable.
Das Krümmungsverhalten erkennst du an der zweiten Ableitung: f''(x) > 0 bedeutet linksgekrümmt (wie ein Lächeln), f''(x) < 0 bedeutet rechtsgekrümmt. Bei Funktionsscharen brauchst du oft Fallunterscheidungen für positive und negative Parameterwerte.
Praxistipp: Bei Funktionsscharen ohne Einschränkung des Parameters immer zwischen positiven und negativen Werten unterscheiden!