MathematikKlasse 11–13

Extremwertprobleme

Welche Schachtel fasst am meisten, welche Dose braucht am wenigsten Blech? An fünf Alltagsproblemen findest du mit der Ableitung das Optimum.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Bei einem Extremwertproblem sucht man den größten oder kleinsten Wert einer Größe – das größte Volumen, die kleinste Oberfläche, die kürzeste Zeit. Oben im Bild verändert sich das Objekt mit der Variablen, darunter läuft der Punkt auf dem Graphen der Zielfunktion mit, ganz unten zeigt der Streifen die Ableitung: grün, wo die Zielfunktion steigt, rot, wo sie fällt. Das Vorgehen ist immer gleich:

  1. Zielfunktion: die Größe, die optimal werden soll, als Formel (z. B. V=La¨nge⋅Breite⋅Ho¨heV = \text{Länge} \cdot \text{Breite} \cdot \text{Höhe}).
  2. Nebenbedingung: Zusammenhänge nutzen, bis nur noch eine Variable übrig ist.
  3. Definitionsbereich: Welche Werte sind im Sachzusammenhang sinnvoll?
  4. Notwendige und hinreichende Bedingung: Z′(x)=0Z'(x) = 0; Vorzeichenwechsel von Z′Z' oder Vorzeichen von Z′′Z''.
  5. Ränder vergleichen (ein Randwert kann besser sein als jedes lokale Extremum!) und das Ergebnis im Sachzusammenhang formulieren.

Schachtel: Aus einem Karton 30 cm×20 cm30\,\text{cm} \times 20\,\text{cm} werden an den Ecken Quadrate der Seitenlänge xx ausgeschnitten, dann werden die Ränder hochgeklappt: V(x)=x(30−2x)(20−2x)=4x3−100x2+600xV(x) = x(30 - 2x)(20 - 2x) = 4x^3 - 100x^2 + 600x, 0<x<100 < x < 10. V′(x)=12x2−200x+600=0  ⟺  3x2−50x+150=0V'(x) = 12x^2 - 200x + 600 = 0 \iff 3x^2 - 50x + 150 = 0 liefert x1≈3,92x_1 \approx 3{,}92 und x2≈12,74∉Dx_2 \approx 12{,}74 \notin D. Mit V′′(3,92)<0V''(3{,}92) < 0 und V(x)→0V(x) \to 0 für x→0x \to 0 und x→10x \to 10 (die Ränder gehören nicht zu DD) ist das Maximum V≈1056,3 cm3V \approx 1056{,}3\,\text{cm}^3.

Dose: Bei festem Volumen VV gilt h=Vπr2h = \frac{V}{\pi r^2}, also O(r)=2πr2+2VrO(r) = 2\pi r^2 + \frac{2V}{r}. Aus O′(r)=4πr−2Vr2=0O'(r) = 4\pi r - \frac{2V}{r^2} = 0 folgt r=V2π3r = \sqrt[3]{\frac{V}{2\pi}} – und dann ist h=2rh = 2r: Die beste Dose ist so hoch wie breit. Für V=1 LV = 1\,\text{L}: r≈5,42 cmr \approx 5{,}42\,\text{cm}, h≈10,84 cmh \approx 10{,}84\,\text{cm}, O=6πr2≈553,6 cm2O = 6\pi r^2 \approx 553{,}6\,\text{cm}^2.

Zylinder im Kegel: Nach dem Strahlensatz ist h=H(1−rR)h = H\left(1 - \frac{r}{R}\right), also V(r)=πr2H(1−rR)V(r) = \pi r^2 H\left(1 - \frac{r}{R}\right). Das Maximum liegt bei r=23Rr = \frac{2}{3}R, h=H3h = \frac{H}{3} mit V=4πR2H27V = \frac{4\pi R^2 H}{27} – das sind immer 49\frac{4}{9} des Kegelvolumens.

Rettungsschwimmer: Er steht 20 m20\,\text{m} vom Wasser entfernt, die Person ist 30 m30\,\text{m} vom Ufer und seitlich 60 m60\,\text{m} entfernt. Geht er an der Stelle xx ins Wasser, braucht er T(x)=202+x2v1+302+(60−x)2v2T(x) = \frac{\sqrt{20^2 + x^2}}{v_1} + \frac{\sqrt{30^2 + (60 - x)^2}}{v_2}, 0≤x≤600 \le x \le 60. T′(x)=0T'(x) = 0 lässt sich nur numerisch lösen (die Karte zeigt das Newton-Verfahren). Für v1=7 msv_1 = 7\,\frac{\text{m}}{\text{s}} und v2=2 msv_2 = 2\,\frac{\text{m}}{\text{s}}: x≈51,71 mx \approx 51{,}71\,\text{m}, T≈23,48 sT \approx 23{,}48\,\text{s}. Im Optimum gilt sin⁡α1v1=sin⁡α2v2\frac{\sin \alpha_1}{v_1} = \frac{\sin \alpha_2}{v_2} – das Brechungsgesetz der Optik.

Ausprobieren

  1. Schachtel: Ziehe am Griff an der Schachtelkante oder am Punkt auf dem Graphen. Wann ist die Schachtel flach, wann hoch und schmal?
  2. Drücke „Optimum suchen“: xx läuft durch den ganzen Definitionsbereich, der Graph entsteht, dann wird die Ableitung null gesetzt. Beobachte die Tangente.
  3. Karton flach: Ziehe an der Ecke eines Ausschnitts und drücke dann „Falten“. Warum liegt die zweite Nullstelle von V′V' bei 203\frac{20}{3} nicht im Definitionsbereich? Und gilt beim quadratischen Karton x=a6x = \frac{a}{6}?
  4. 1-Liter-Dose: Ziehe den Rand der Dose. Ab wann wird die Dose „zu hoch“ für das Bild? Wie verhält sich O(r)O(r) an den Rändern? Echte Getränkedosen sind schlanker als das Optimum – was könnte dafür sprechen?
  5. Rechteck: Breiter heißt niedriger. Wo gleichen sich beide Effekte aus?
  6. Zylinder im Kegel: Verändere RR und HH. Was bleibt in der Karte „Probe“ immer gleich?
  7. Rettungsschwimmer: Die gerade Linie ist der kürzeste, aber nicht der schnellste Weg. Starte das „Wettrennen“. Vergleiche in der Karte „Brechungsgesetz“ die beiden Quotienten. Wo liegt das Optimum, wenn beide gleich schnell sind?

Aufgaben

Aufgabe 1: Kleiner Karton

Ein Karton misst 16 cm×10 cm16\,\text{cm} \times 10\,\text{cm}. Stelle V(x)V(x) als Polynom auf und bestimme das Maximum. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

V(x)=x(16−2x)(10−2x)=4x3−52x2+160xV(x) = x(16 - 2x)(10 - 2x) = 4x^3 - 52x^2 + 160x, 0<x<50 < x < 5. V′(x)=12x2−104x+160=0  ⟺  3x2−26x+40=0  ⟺  x=2V'(x) = 12x^2 - 104x + 160 = 0 \iff 3x^2 - 26x + 40 = 0 \iff x = 2 oder x=203x = \frac{20}{3}; nur x=2x = 2 liegt in DD. V(2)=2⋅12⋅6=144 cm3V(2) = 2 \cdot 12 \cdot 6 = 144\,\text{cm}^3. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Dose

Eine Dose soll 500 cm3500\,\text{cm}^3 fassen. Bestimme Radius, Höhe und Oberfläche der Dose mit dem geringsten Blechverbrauch. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

O(r)=2πr2+1000rO(r) = 2\pi r^2 + \frac{1000}{r}, O′(r)=4πr−1000r2=0⇒r3=250π⇒r≈4,30 cmO'(r) = 4\pi r - \frac{1000}{r^2} = 0 \Rightarrow r^3 = \frac{250}{\pi} \Rightarrow r \approx 4{,}30\,\text{cm}. O′′(r)=4π+2000r3>0O''(r) = 4\pi + \frac{2000}{r^3} > 0: Minimum. h=500πr2≈8,60 cm=2rh = \frac{500}{\pi r^2} \approx 8{,}60\,\text{cm} = 2r, O=6πr2≈348,7 cm2O = 6\pi r^2 \approx 348{,}7\,\text{cm}^2. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Rechteck unter der e-Funktion

Ein Rechteck liegt mit zwei Seiten auf den Koordinatenachsen: Eine Ecke liegt im Ursprung, die gegenüberliegende Ecke P(u∣f(u))P(u \mid f(u)) liegt auf dem Graphen von f(x)=3e−0,5xf(x) = 3e^{-0{,}5x}. Für welches uu ist der Flächeninhalt maximal? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

A(u)=3u e−0,5uA(u) = 3u\,e^{-0{,}5u}, A′(u)=3e−0,5u(1−0,5u)=0⇒u=2A'(u) = 3e^{-0{,}5u}(1 - 0{,}5u) = 0 \Rightarrow u = 2, da e−0,5u≠0e^{-0{,}5u} \neq 0. A′′(2)=3e−1(0,5−1)<0A''(2) = 3e^{-1}(0{,}5 - 1) < 0. A(2)=6e≈2,21A(2) = \frac{6}{e} \approx 2{,}21. Ränder: A(u)→0A(u) \to 0 für u→0u \to 0 und für u→∞u \to \infty. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Zylinder im Kegel

In einen Kegel mit R=9 cmR = 9\,\text{cm} und H=15 cmH = 15\,\text{cm} wird ein Zylinder gestellt. Welcher Zylinder hat das größte Volumen? Welcher Anteil des Kegels ist das? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Strahlensatz: h15=9−r9\frac{h}{15} = \frac{9 - r}{9}, also h=15−53rh = 15 - \frac{5}{3}r und V(r)=π(15r2−53r3)V(r) = \pi\left(15r^2 - \frac{5}{3}r^3\right), 0<r<90 < r < 9. V′(r)=π(30r−5r2)=5πr(6−r)=0⇒r=6V'(r) = \pi(30r - 5r^2) = 5\pi r(6 - r) = 0 \Rightarrow r = 6. h=5 cmh = 5\,\text{cm}, V=180π≈565,5 cm3V = 180\pi \approx 565{,}5\,\text{cm}^3. Der Kegel hat 13π⋅81⋅15=405π\frac{1}{3}\pi \cdot 81 \cdot 15 = 405\pi, der Zylinder füllt also 49\frac{4}{9} davon. In der Simulation zeigen

Aufgabe 5: Rettungsschwimmer

Stelle T(x)T(x) für v1=7 msv_1 = 7\,\frac{\text{m}}{\text{s}} und v2=2 msv_2 = 2\,\frac{\text{m}}{\text{s}} auf. Vergleiche die gerade Linie (warum x=24x = 24?), den Weg „erst bis gegenüber laufen“ (x=60x = 60) und das Optimum. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Die gerade Linie schneidet das Ufer nach dem Strahlensatz bei x=60⋅2050=24x = 60 \cdot \frac{20}{50} = 24: T(24)≈27,89 sT(24) \approx 27{,}89\,\text{s}. Bis gegenüber: T(60)=40007+15≈24,04 sT(60) = \frac{\sqrt{4000}}{7} + 15 \approx 24{,}04\,\text{s}. Optimum (numerisch, z. B. Newton-Verfahren): x≈51,71 mx \approx 51{,}71\,\text{m}, T≈23,48 sT \approx 23{,}48\,\text{s}. Wegen T(0)≈36,40 sT(0) \approx 36{,}40\,\text{s} und T(60)≈24,04 sT(60) \approx 24{,}04\,\text{s} ist das Minimum global – aber nur knapp besser als der Rand. In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Anwendungen der Differentialrechnung in der Oberstufe. Die Schachtel eignet sich als Einstieg, Kegel und Rettungsschwimmer als Vertiefung.
  • Einstieg: Schachteln aus DIN-A4-Papier mit verschiedenen xx falten und vergleichen; „Optimum suchen“ zeigt danach erst das Probieren, dann die Rechnung. Vielleicht schätzt die Klasse vorher, welches xx am besten ist.
  • Aufgabenmodus: Mit „Lösungsweg zeigen“ aus sind Graph, Ergebnisse und Lösungsweg verdeckt; das Bild bleibt bedienbar. „Lösung aufdecken“ löst Schritt für Schritt auf.
  • Modellkritik: Warum sind echte Getränkedosen nicht optimal? (Falz, Stabilität, Griffigkeit, Werbefläche.)
  • Fächerverbindend: Der Rettungsschwimmer führt zum Brechungsgesetz und zum Fermat-Prinzip – ein Anlass für eine gemeinsame Stunde mit Physik.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Die Nebenbedingung wird nicht eingesetzt – die Zielfunktion hat noch zwei Variablen.
    • Lösungen außerhalb des Definitionsbereichs werden übernommen (zweite Nullstelle bei der Schachtel).
    • Die Randwerte werden nicht verglichen – beim Rettungsschwimmer ist T(60)T(60) nur knapp schlechter als das Optimum.
    • Die zweite Ableitung wird an der falschen Stelle ausgewertet oder ihr Vorzeichen falsch gedeutet.