Die Aufgabe und die Nebenbedingung
Aus einem rechtwinkligen Dreieck aus Blattgold, 20 cm breit und 15 cm hoch, soll das größtmögliche Rechteck geschnitten werden.
- Lage:das Rechteck liegt in der rechtwinkligen Ecke, seine obere rechte Ecke auf der Hypotenuse.
- Variable:die Breite \(x\) des Rechtecks.
- Zielgröße:der Flächeninhalt \(A\) des Rechtecks.
- Nebenbedingung:die Höhe reicht genau bis zur Hypotenuse.
- Definitionsbereich:\(0<x<20\) – an beiden Rändern ist die Fläche null.
Die Hypotenuse ist eine Gerade. Ihre Gleichung liefert die Höhe des Rechtecks.
- \(y\)-Achsenabschnitt:\(b=15\).
- Steigung:\(m=\dfrac{-15}{20}=-\dfrac{3}{4}\) – die Gerade fällt.
- Höhe:an der Stelle \(x\) ist das Rechteck \(g(x)\) hoch.
Höhe des Rechtecks: \(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+15\)
Die sieben Schritte an der Goldfolie
Das bekannte Schema, angewendet auf die Folie.
- Schritt 1:der Flächeninhalt des Rechtecks soll maximal werden.
- Schritt 2:\(A=a\cdot b\).
- Schritt 3:Breite \(x\), Höhe \(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+15\).
- Schritt 4:\(A=x\cdot\left(-\tfrac{3}{4}x+15\right)\).
- Schritt 5:\(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\) mit \(0<x<20\).
- Schritt 6:\(A′(x)=-1{,}5x+15=0\) ⇒ \(x=10\); \(A″(x)=-1{,}5<0\) ⇒ Maximum; \(g(10)=7{,}5\), \(A(10)=75\).
- Schritt 7:Einschnitt 10 cm von der rechtwinkligen Ecke – das Rechteck ist 10 cm × 7,5 cm groß und hat 75 cm².
Stelle die Breite \(x\) ein. Das Rechteck wird in die Folie gezeichnet, rechts wandert der Punkt über den Graphen von \(A\).
Zuschnitt-Werkstatt
Stelle die Breite ein und beobachte Höhe, Fläche und Steigung. In der Nähe von \(x=10\) rastet der Regler auf dem Hochpunkt ein.
Zieh den Regler nach rechts — die Fläche wächst noch.
Halte fest: Nahe \(x=10\) ändert sich die Fläche kaum – genau das bedeutet \(A′(10)=0\).
Goldfolie: \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\), Hochpunkt \(H(10\mid 75)\)
Allgemeine Hinweise
Vorzeichen der Steigung
Die Hypotenuse fällt, also ist \(m=-\tfrac{3}{4}\). Mit \(+\tfrac{3}{4}\) rechnest du den Rest umsonst.
Frage beantworten
Gefragt ist die Einschnittstelle. Die 10 cm gehören in den Antwortsatz.
Schnelltest
Das beste Rechteck hat die halbe Breite und die halbe Höhe. Es bedeckt genau die Hälfte der 150 cm² Dreiecksfläche.
