Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben liegt die eigentliche Arbeit in Schritt 4: Dort verschwindet die zweite Variable. Danach ist es gewöhnliche Kurvendiskussion — mit einem Definitionsbereich, der aus dem Sachzusammenhang stammt. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Die Goldfolie
AFB IAus einer dreieckigen Goldfolie — rechtwinklig, \(12\,\text{cm}\) breit und \(8\,\text{cm}\) hoch — soll ein möglichst großes Rechteck ausgeschnitten werden. Zwei Seiten des Rechtecks liegen auf den Katheten, die gegenüberliegende Ecke auf der Hypotenuse (Material M1).
Die Höhe \(g(x)\) ist der Funktionswert der Hypotenusengeraden an der Stelle \(x\).
- Stelle die Gleichung der Hypotenusengeraden \(g\) auf.
- Stelle die Zielfunktion \(A(x)\) mit Definitionsbereich auf.
- Bestimme die Maße des flächengrößten Rechtecks und kontrolliere das Ergebnis mit dem Flächeninhalt des Dreiecks.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Gerade hat den \(y\)-Achsenabschnitt \(8\) und die Steigung \(m=\tfrac{0-8}{12-0}=-\tfrac{2}{3}\), also \(g(x)=8-\tfrac{2}{3}x\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A(x)=x\,\bigl(8-\tfrac{2}{3}x\bigr)=8x-\tfrac{2}{3}x^{2}\) mit \(D=\,]0;12[\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(A′(x)=8-\tfrac{4}{3}x=0\) liefert \(x=6\); wegen \(A″(x)=-\tfrac{4}{3}<0\) liegt ein Maximum vor. Dann ist \(g(6)=8-4=4\) und \(A(6)=6\cdot 4=24\). Kontrolle: Das Dreieck hat \(\tfrac12\cdot 12\cdot 8=48\,\text{cm}^{2}\) — das Rechteck nutzt mit \(24\,\text{cm}^{2}\) genau die Hälfte, und seine Breite \(6\) ist die halbe Grundseite. Antwortsatz: Das größte Rechteck ist \(6\,\text{cm}\) breit und \(4\,\text{cm}\) hoch und hat einen Flächeninhalt von \(24\,\text{cm}^{2}\).
Das Rechteck unter der Parabel
AFB IIAus einem Blech, dessen Rand durch \(f(x)=4-0{,}25x^{2}\) begrenzt wird, soll ein achsensymmetrisches Rechteck ausgeschnitten werden. Die Grundseite liegt auf der \(x\)-Achse, die beiden oberen Ecken auf der Randkurve (Material M2). Alle Längen sind in Dezimetern angegeben.
Das Rechteck reicht von \(-x\) bis \(x\) — seine Breite beträgt also \(2x\).
- Stelle die Zielfunktion \(A(x)\) mit Definitionsbereich auf.
- Bestimme die Stelle des Maximums exakt und weise das Maximum nach.
- Gib die Maße und den Flächeninhalt gerundet auf zwei Nachkommastellen an.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(A(x)=2x\,(4-0{,}25x^{2})=8x-0{,}5x^{3}\). Aus \(x>0\) und \(4-0{,}25x^{2}>0\) folgt \(D=\,]0;4[\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A′(x)=8-1{,}5x^{2}=0 \Leftrightarrow x^{2}=\tfrac{16}{3}\), also \(x=\tfrac{4}{\sqrt3}=\tfrac{4\sqrt3}{3}\). Wegen \(A″(x)=-3x\) und \(A″\bigl(\tfrac{4\sqrt3}{3}\bigr)<0\) liegt ein Maximum vor.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(x\approx 2{,}31\), Breite \(2x\approx 4{,}62\), Höhe \(f(x)=4-\tfrac{4}{3}=\tfrac{8}{3}\approx 2{,}67\) und \(A=\tfrac{64\sqrt3}{9}\approx 12{,}32\). Antwortsatz: Das größte Rechteck ist rund \(4{,}62\,\text{dm}\) breit und \(2{,}67\,\text{dm}\) hoch; sein Flächeninhalt beträgt etwa \(12{,}32\,\text{dm}^{2}\).
Die Schachtel aus dem Quadrat
AFB IIAus einem quadratischen Karton mit \(24\,\text{cm}\) Seitenlänge werden an den vier Ecken Quadrate der Seitenlänge \(x\) ausgeschnitten; die Ränder werden zu einer oben offenen Schachtel hochgeklappt. Gesucht ist die Schachtel mit dem größten Volumen.
- Stelle die Zielfunktion \(V(x)\) mit Definitionsbereich auf und multipliziere sie aus.
- Bestimme alle Kandidaten und entscheide, welcher davon in Frage kommt.
- Gib die Maße und das größte Volumen an.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(V(x)=x\,(24-2x)^{2}=x\,(576-96x+4x^{2})=4x^{3}-96x^{2}+576x\). Aus \(x>0\) und \(24-2x>0\) folgt \(D=\,]0;12[\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(V′(x)=12x^{2}-192x+576=12\,(x^{2}-16x+48)=12\,(x-4)(x-12)\). Kandidaten: \(x_1=4\) und \(x_2=12\). Nur \(x_1=4\) liegt in \(D\); bei \(x_2=12\) wäre die Grundfläche null. Wegen \(V″(x)=24x-192\) und \(V″(4)=-96<0\) liegt bei \(x=4\) ein Maximum.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Grundkante \(24-8=16\), Höhe \(4\), Volumen \(V(4)=4\cdot 16^{2}=1024\). Antwortsatz: Werden Quadrate mit \(4\,\text{cm}\) Seitenlänge ausgeschnitten, entsteht eine Schachtel mit \(16\,\text{cm}\times 16\,\text{cm}\times 4\,\text{cm}\) und dem größten Volumen von \(1024\,\text{cm}^{3}\).
Das Fenster mit Rundbogen
AFB IIIEin Fenster besteht aus einem Rechteck mit der Breite \(b\) und der Höhe \(h\), auf das ein Halbkreis mit dem Durchmesser \(b\) aufgesetzt ist. Der gesamte Rahmen ist \(8\,\text{m}\) lang. Gesucht ist das Fenster, durch das am meisten Licht fällt — also das mit dem größten Flächeninhalt. Alle Längen in Metern.
- Stelle die Nebenbedingung für den Rahmen auf.
- Stelle die Zielfunktion \(A(b)\) auf und bestimme das Maximum.
- Gib alle Maße gerundet an und deute das Verhältnis von Höhe und Breite.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Rahmenlänge: \(b+2h+\tfrac{\pi b}{2}=8\), also \(h=\dfrac{8-b-\tfrac{\pi b}{2}}{2}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A(b)=b\,h+\tfrac{\pi}{8}b^{2}=\tfrac{b}{2}\Bigl(8-b-\tfrac{\pi b}{2}\Bigr)+\tfrac{\pi}{8}b^{2}=4b-\tfrac{b^{2}}{2}-\tfrac{\pi}{8}b^{2}\).
\(A′(b)=4-b-\tfrac{\pi}{4}b=0 \Leftrightarrow b\Bigl(1+\tfrac{\pi}{4}\Bigr)=4 \Leftrightarrow b=\dfrac{4}{1+\tfrac{\pi}{4}}=\dfrac{16}{4+\pi}\approx 2{,}24\). Wegen \(A″(b)=-1-\tfrac{\pi}{4}<0\) liegt ein Maximum vor.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(b\approx 2{,}24\,\text{m}\), \(h=\dfrac{8-2{,}24-3{,}52}{2}\approx 1{,}12\,\text{m}\), \(A\approx 4{,}48\,\text{m}^{2}\). Es gilt \(h=\tfrac{b}{2}\): Die Rechteckhöhe ist genau der Halbkreisradius, das Fenster ist also insgesamt so hoch wie breit. Antwortsatz: Das lichtreichste Fenster ist rund \(2{,}24\,\text{m}\) breit, sein rechteckiger Teil \(1{,}12\,\text{m}\) hoch; die Glasfläche beträgt etwa \(4{,}48\,\text{m}^{2}\).
Größte Fläche, größter Umfang?
AFB IIIWir bleiben bei der Goldfolie aus Aufgabe 1: dem rechtwinkligen Dreieck mit \(12\,\text{cm}\) Breite und \(8\,\text{cm}\) Höhe. Ein Schüler behauptet: „Das flächengrößte Rechteck hat auch den größten Umfang.“
- Stelle die Umfangsfunktion \(U(x)\) mit Definitionsbereich auf.
- Untersuche \(U\) auf Extremstellen und beschreibe ihr Monotonieverhalten.
- Nimm zur Behauptung des Schülers begründet Stellung.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(U(x)=2x+2\,\bigl(8-\tfrac{2}{3}x\bigr)=2x+16-\tfrac{4}{3}x=16+\tfrac{2}{3}x\) mit \(D=\,]0;12[\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(U′(x)=\tfrac{2}{3}>0\) für alle \(x\). \(U\) besitzt also keine Extremstelle und ist auf ganz \(D\) streng monoton wachsend: Je breiter das Rechteck gewählt wird, desto größer ist sein Umfang.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Behauptung ist falsch. Das flächengrößte Rechteck gehört zu \(x=6\) mit \(U(6)=20\,\text{cm}\); für \(x=9\) ist der Umfang mit \(U(9)=22\,\text{cm}\) größer, obwohl die Fläche dann nur noch \(A(9)=9\cdot 2=18\,\text{cm}^{2}\) beträgt. Da \(U\) streng monoton wächst und \(D\) offen ist, wird der Umfang im Inneren überhaupt nicht maximal — er strebt für \(x\to 12\) gegen \(24\,\text{cm}\), bei einer Fläche, die gegen null geht. Antwortsatz: Fläche und Umfang sind verschiedene Zielgrößen; ihre Optima müssen nicht zusammenfallen und tun es hier auch nicht.
