Extremwertaufgaben
Oder: Wie spare ich mir viel Material.
Die Kapitel
Was erwartet dich
Extremwertaufgaben sind ein spannender und wichtiger Bestandteil der Mathematik. Sie beschäftigen sich mit der Frage, wie man den größten oder kleinsten Wert einer Funktion in einem bestimmten Kontext findet. Solche Aufgaben sind nicht nur theoretisch interessant, sondern haben auch viele praktische Anwendungen, etwa in der Physik, der Wirtschaft oder der Technik.
Typischerweise geht es bei Extremwertaufgaben darum, eine Größe zu maximieren oder zu minimieren. Das könnte beispielsweise die Maximierung der Fläche eines Rechtecks bei gegebenem Umfang oder die Minimierung der Kosten bei der Produktion eines Gutes sein. Um diese Aufgaben zu lösen, verwendet man die Ableitungsregeln, die man in der Differentialrechnung kennengelernt hat.
Der Prozess beginnt damit, eine mathematische Funktion aufzustellen, die das Problem beschreibt. Dann sucht man nach den Stellen, an denen diese Funktion ihre größten oder kleinsten Werte annimmt, indem man die Ableitung berechnet und die sogenannten kritischen Punkte findet, bei denen die Ableitung null ist. Anschließend untersucht man diese Punkte, um herauszufinden, ob es sich um ein Maximum oder ein Minimum handelt.
Extremwertaufgaben helfen nicht nur, die Anwendung der Ableitung zu verstehen, sondern fördern auch das analytische Denken und die Fähigkeit, mathematische Modelle auf reale Probleme anzuwenden.
Viel Spaß bei diesem Kurs! 🙂
Materialien
Arbeiten mit den Materialien
Um mit den Materialien arbeiten zu können, gehst du wie folgt vor:
- Klicke auf das Bild rechts neben dem Text
- Lade dir die PDF herunter und drucke das Blatt aus (Tipp: Am besten Doppelseitig)
- Sehe dir das unten verlinkte Lernvideo an.
- Fülle die Lücken auf dem Blatt parallel zum Video aus.
- Übe mit den Übungsaufgaben.
- Überprüfe ob du das Blatt richtig ausgefüllt. Klicke dafür auf das Bild im Fenster Kontrolle.
Lernvideo
Übungsaufgaben
Aufgabe Versuche dich an den folgenden interaktiven Aufgaben! Gebe Ergebnisse auf zwei Nachkommastellen gerundet an.
Simulation - Optimierung einer Kiste
Simulation: Kistenmaße anpassen
Eine offene rechteckige Kiste soll ein Volumen von \( 500 \, \text{cm}^3 \) haben. Passe die Länge \( l \) der Kiste an, um die minimale Oberfläche zu finden. Die Breite \( b \) passt sich automatisch im Verhältnis \( 1:2 \) an.
Breite (automatisch): cm
Höhe: cm
Oberfläche: cm²
Zielfunktion: \( O(l) = l \cdot b + 2 \cdot l \cdot h + 2 \cdot b \cdot h \)
Bild der Kiste
Hier kann ein Bild eingefügt werden:
Extremwertaufgabe - Kistenoptimierung
Aufgabe
Eine offene rechteckige Kiste soll ein Volumen von 500 cm3 haben. Die Breite der Kiste muss zwingend doppelt so groß sein wie deren Länge. Bestimmen Sie die Länge der Kiste so, dass der Oberflächeninhalt minimal ist.
Berechnen Sie die optimale Länge
Geben Sie die optimale Länge der Kiste in cm an (auf zwei Nachkommastellen gerundet):
cmExtremwertaufgabe - Bau eines Geheges
Schritt 1: Problem verstehen
Du möchtest ein rechteckiges Gehege an einer Hauswand bauen. Die Länge des Zauns beträgt 15 Meter. Bestimme die Seitenlängen des Rechtecks, damit der Flächeninhalt maximal wird.
Schritt 2: Variablen definieren
Wir definieren die Variablen:
- Sei \( x \) die Breite des Geheges (senkrecht zur Hauswand).
- Die Länge des Geheges parallel zur Hauswand beträgt dann \( 15 - 2x \).
Schritt 3: Zielfunktion aufstellen
Der Flächeninhalt \( A \) des Rechtecks ist gegeben durch:
\( A = x \cdot (15 - 2x) \)
Vereinfacht ergibt das:
\( A(x) = 15x - 2x^2 \)
Schritt 4: Ableitung berechnen
Um die Extremwerte zu finden, berechnen wir die erste Ableitung von \( A(x) \):
\( A'(x) = 15 - 4x \)
Schritt 5: Extremwert bestimmen
Setze die Ableitung gleich Null, um die Extremwerte zu finden:
\( 15 - 4x = 0 \)
Die Lösung ist:
MeterSchritt 6: Ergebnis interpretieren
Setze den gefundenen Wert in die Länge des Geheges ein:
Breite: Meter
Länge: Meter
Der maximale Flächeninhalt des Geheges beträgt:
Fläche = Quadratmeter
Extremwertaufgabe - Optimierung einer Dose
Schritt 1: Problem verstehen
Du möchtest eine zylindrische Dose mit einem gegebenen Volumen \( V = 1000 \, \text{cm}^3 \) herstellen. Bestimme die Maße (Radius \( r \) und Höhe \( h \)), sodass der Materialbedarf (Oberfläche der Dose) minimal ist.
Schritt 2: Variablen definieren
Wir definieren die Variablen:
- Radius der Dose: \( r \)
- Höhe der Dose: \( h \)
- Volumen der Dose: \( V = \pi r^2 h = 1000 \)
Schritt 3: Zielfunktion aufstellen
Die Oberfläche \( O \) der zylindrischen Dose setzt sich aus der Mantelfläche und den beiden Kreisflächen zusammen:
\( O = 2\pi r h + 2\pi r^2 \)
Da \( h = \frac{1000}{\pi r^2} \), können wir \( O \) in Abhängigkeit von \( r \) schreiben:
\( O(r) = 2\pi r \cdot \frac{1000}{\pi r^2} + 2\pi r^2 \)
Vereinfacht ergibt das:
\( O(r) = \frac{2000}{r} + 2\pi r^2 \)
Schritt 4: Ableitung berechnen
Um die Extremwerte zu finden, berechnen wir die erste Ableitung von \( O(r) \):
\( O'(r) = -\frac{2000}{r^2} + 4\pi r \)
Schritt 5: Extremwert bestimmen
Gib deine Lösung gerundet auf zwei Nachkommastellen an. Setze die Ableitung gleich Null, um die Extremwerte zu finden:
\( -\frac{2000}{r^2} + 4\pi r = 0 \)
Die Lösung ist:
cmSchritt 6: Ergebnis interpretieren
Setze den gefundenen Wert in die Höhe der Dose ein:
Radius: cm
Höhe: cm
Die minimale Oberfläche der Dose beträgt:
Oberfläche = cm²
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