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Übungen: Die Goldfolie

Zwanzig Aufgaben zum größten Rechteck im Dreieck — von der Geraden durch die Hypotenuse bis zur eigenen Zielfunktion für neue Dreiecksmaße.

Zum NachschlagenZurück zur ErklärungDie Goldfolie mit allen sieben Schritten und der Zuschnitt-Werkstatt noch einmal nachlesen.
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Übungsaufgaben

Zwanzig Aufgaben zum größten Rechteck im rechtwinkligen Dreieck — von der Geradengleichung der Hypotenuse über die vollständige Rechnung bis zu eigenen Dreiecken. Am Ende kennst du eine Regel, mit der sich jede dieser Aufgaben in einer Zeile kontrollieren lässt.

A1Wie hoch ist das Rechteck?AFB II

Die Hypotenuse der Folie ist der Graph von \(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+15\). Berechne die Höhe des Rechtecks für eine Breite von \(x=4\;\text{cm}\).

Die obere rechte Ecke liegt auf der Hypotenuse — die Höhe ist also genau \(g(x)\).
\(g(4)=-\tfrac{3}{4}\cdot 4+15=-3+15=12\). Das Rechteck wäre 4 cm breit und 12 cm hoch, sein Flächeninhalt betrüge \(48\;\text{cm}^{2}\) — noch nicht das Maximum.
A2Die Gerade aufstellenAFB II

Die Hypotenuse verläuft durch \((0\,|\,15)\) und \((20\,|\,0)\). Fülle die Rechnung Feld für Feld aus.

Fülle alle Felder aus und prüfe auf einmal. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.

\(y\)-Achsenabschnitt ablesen: \(b=\) .

Steigung aus dem Steigungsdreieck: \(m=\dfrac{0-15}{20-0}=\) .

Damit ist \(g(10)=\) und \(g(16)=\) .

Probe an der Nullstelle: \(g(\) \()=0\).

Auf 20 Einheiten nach rechts fällt die Gerade 15 Einheiten, also \(m=-\dfrac{15}{20}=-\dfrac{3}{4}=-0{,}75\). Der Achsenabschnitt ist die Dreieckhöhe, die Nullstelle die Dreiecksbreite.
A3Die ZielfunktionAFB II

Die Fläche des Rechtecks ist \(A=x\cdot g(x)\). Multipliziere aus und gib \(A(x)\) ein.

Schreibweise: -0.75x^2+15x oder -3/4x^2+15x. Der Term muss ausmultipliziert sein.
\(A(x)=x\left(-\tfrac{3}{4}x+15\right)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\) für \(0<x<20\). Das ist eine nach unten geöffnete Parabel — sie hat genau einen Hochpunkt.
A4Die Folie komplett durchrechnenAFB II

Arbeite die Aufgabe mit \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\) Schritt für Schritt durch.

Jeder richtige Schritt schaltet den nächsten frei. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
  1. Wie lautet der Koeffizient \(a\) in \(A'(x)=a\cdot x+15\)?
  2. Löse \(A'(x)=0\). An welcher Stelle liegt der Extrempunkt?cm
  3. Wie groß ist \(A''(x)\)? (die Zahl genügt)
  4. Wie hoch ist das beste Rechteck, also \(g(10)\)?cm
  5. Wie groß ist sein Flächeninhalt \(A(10)\)?cm²
  6. Wie groß ist der Flächeninhalt des ganzen Dreiecks?cm²
Wegen \(A''=-1{,}5<0\) ist die Stelle \(x=10\) wirklich ein Hochpunkt. Der Vergleich am Ende ist ein guter Schnelltest: Das beste Rechteck füllt genau die Hälfte des Dreiecks.
A5Fünf ZuschnitteAFB II

Berechne zu jeder Breite den Flächeninhalt \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\) des ausgeschnittenen Rechtecks.

Fülle alle Felder aus und prüfe dann.
Breite \(x\) in cm\(A(x)\) in cm²
\(x=2\)
\(x=4\)
\(x=10\)
\(x=16\)
\(x=18\)
Auffällig: \(A(4)=A(16)\) und \(A(2)=A(18)\). Die Parabel ist symmetrisch zur Achse \(x=10\) — zwei Zuschnitte mit ganz verschiedener Form haben denselben Flächeninhalt.
A6Eine kleinere FolieAFB III

Ein zweiter Verschnitt ist rechtwinklig, 12 cm breit und 9 cm hoch. Berechne den besten Zuschnitt vollständig.

Stelle zuerst die Gerade auf, dann die Zielfunktion. Enter prüft.
\(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+9\), also \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+9x\) und \(A'(x)=-1{,}5x+9=0\) mit \(x=6\). Höhe \(g(6)=4{,}5\), Fläche \(27\;\text{cm}^{2}\) — wieder genau die halbe Dreiecksfläche \(\tfrac12\cdot 12\cdot 9=54\).
A7Die Steigung als BruchAFB III

Gib die Steigung der Hypotenuse aus der Aufgabe (20 cm breit, 15 cm hoch) als vollständig gekürzten Bruch an. Das Minuszeichen gehört in den Zähler.

Trage Zähler und Nenner ein. Der Bruch soll vollständig gekürzt sein.
\(m=\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=\dfrac{-15}{20}=-\dfrac{3}{4}\): vier Einheiten nach rechts, drei nach unten. Als Dezimalzahl \(-0{,}75\).
A8Was gilt für den besten Zuschnitt?AFB II

Welche Aussagen über das flächengrößte Rechteck treffen zu? Mehrere Antworten sind richtig.

Markiere alle zutreffenden Aussagen und prüfe dann.
Ein Quadrat wäre es nur, wenn Breite und Höhe des Dreiecks gleich wären. Und \(A(15)=-168{,}75+225=56{,}25<75\) — rechts vom Hochpunkt fällt die Fläche wieder.
A9Stimmt das so?AFB I

Sechs Aussagen zur Goldfolie. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startet die Serie neu.

Aussagen nacheinander. Bei einem Fehler beginnt die Serie von vorn.
Aussage 1 von 6

Die beiden falschen Aussagen sind die häufigsten Klausurfehler: die hinreichende Bedingung wegzulassen und die Zielgröße zu verwechseln.
A10Zwei Fehler im LösungswegAFB II

Timo bearbeitet ein Dreieck, das 16 cm breit und 12 cm hoch ist. In seiner Lösung stecken zwei Fehler — klicke genau die falschen Zeilen an.

Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Der zweite Fehler fällt mit dem Schnelltest sofort auf: Das beste Rechteck kann nie so groß sein wie das ganze Dreieck, sondern immer genau halb so groß.
A11Die sieben Schritte an der FolieAFB I

Bringe die Arbeitsschritte in die richtige Reihenfolge — mit den konkreten Inhalten dieser Aufgabe.

Ziehe die Zeilen oder verschiebe sie mit den Pfeil-Buttons.
1Der Flächeninhalt des Rechtecks soll maximal werden.
2Formel notieren: \(A=a\cdot b\).
3Nebeninformation: die obere rechte Ecke liegt auf \(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+15\).
4Einsetzen: \(A(x)=x\cdot g(x)\).
5Zielfunktion notieren: \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\), \(0<x<20\).
6\(A'(x)=0\) lösen und mit \(A''(x)<0\) das Maximum sichern.
7Antwortsatz: 10 cm von der Ecke einschneiden, Fläche \(75\;\text{cm}^{2}\).
Die Arbeit steckt in den Schritten 3 und 4: Dort verschwindet die zweite Seitenlänge. Ab Schritt 6 ist es gewöhnliche Extrempunktrechnung.
A12Fest, veränderlich oder Ergebnis?AFB II

Ordne jede Größe dem passenden Bereich zu.

Ordne jede Karte einem der drei Bereiche zu. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, dann 1–3.
1 fest vorgegeben
2 hängt von \(x\) ab
3 Ergebnis der Rechnung
Die Höhe des Rechtecks ist keine feste Zahl, sondern hängt über \(g\) von \(x\) ab — genau das macht die Aufgabe lösbar. Erst die Rechnung macht aus \(x\) die konkrete Zahl 10.
A13Fünf DreieckeAFB III

Verbinde jedes rechtwinklige Dreieck mit dem größten Flächeninhalt, den ein einbeschriebenes Rechteck erreichen kann.

A14Der sinnvolle BereichAFB II

Stelle den Definitionsbereich der Goldfolien-Aufgabe auf der Zahlengeraden ein — mit den passenden Klammern.

Ziehe die beiden Griffe auf die Grenzen. Ein Klick auf einen Griff (oder Enter) dreht seine Klammer um.
a: b:
Bei \(x=0\) und bei \(x=20\) ist das Rechteck zu einer Strecke entartet, seine Fläche wäre null. Beide Randwerte bleiben deshalb ausgeschlossen: \(]0;20[\).
A15Rechteck oder Dreieck?AFB II

Kreuze in jeder Zeile an, worauf sich die Angabe bezieht.

Setze in jeder Zeile genau ein Kreuz und prüfe am Ende die ganze Tabelle.
Aussagegilt für das Rechteckgilt für das Dreieck
Flächeninhalt \(150\;\text{cm}^{2}\)
Flächeninhalt \(75\;\text{cm}^{2}\)
Die Seitenlängen betragen 10 cm und 7,5 cm.
Eine Seite ist 20 cm lang, die andere 15 cm.
Die schräge Kante ist der Graph von \(g(x)=-\tfrac{3}{4}x+15\).
Alle vier Maße des besten Rechtecks sind halb so groß wie die des Dreiecks — die Fläche ist deshalb nur ein Viertel des Rechtecks mit den Dreiecksmaßen, aber die Hälfte der Dreiecksfläche.
A16Noch ein VerschnittAFB III

Ein Dreieck ist 16 cm breit und 12 cm hoch. Stelle die Zielfunktion für den Flächeninhalt des einbeschriebenen Rechtecks auf.

Schreibweise: -0.75x^2+12x. Der Term muss ausmultipliziert sein.
Die Hypotenuse ist \(g(x)=-\tfrac{12}{16}x+12=-\tfrac{3}{4}x+12\), also \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+12x\). Das Maximum liegt bei \(x=8\) mit \(A(8)=48\;\text{cm}^{2}\).
A17Den Antwortsatz bauenAFB II

Setze aus den Bausteinen den Antwortsatz zur Goldfolie zusammen. Zwei Bausteine passen nicht.

Ein Klick legt den Baustein auf den nächsten freien Platz, ein Klick im Bauplan legt ihn zurück.
Der Antwortsatz nennt die Einschnittstelle, die Maße und die Fläche — jeweils mit Einheit. Die Ablenker verwechseln Länge und Fläche bzw. behaupten eine Quadratform.
A18Der FeinschliffAFB III

Wähle in jedem Menü den passenden Eintrag.

Öffne jedes Menü und wähle den passenden Eintrag. Am Ende alles auf einmal prüfen.

Die Höhe des Rechtecks ist , weil die obere rechte Ecke auf der Hypotenuse liegt.

Die Zielfunktion \(A(x)=-\tfrac{3}{4}x^{2}+15x\) ist eine , ihr Scheitel liegt bei \(x=\) .

Der Wert \(A''(x)=-1{,}5\) ist — deshalb genügt ein einziger Blick für die hinreichende Bedingung.

Ein guter Schnelltest ist: Das beste Rechteck füllt der Dreiecksfläche.

Weil \(A''\) hier eine feste Zahl ist, muss man nichts einsetzen — die Parabel ist überall rechtsgekrümmt.
A19Szene für Szene: das Rechteck im Halbkreis-DreieckAFB III

Ein neues Dreieck ist 30 cm breit und 20 cm hoch. Entscheide in jeder Szene, wie es weitergeht.

Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
    Fünf Szenen mit neuen Zahlen — das Ergebnis bestätigt die Regel: halbe Breite, halbe Höhe, halbe Fläche.
    A20Die Einschnittstelle einstellenAFB III

    Ein Dreieck ist 25 cm breit und 18 cm hoch. Berechne die Einschnittstelle und stelle sie auf dem Regler ein.

    Erst rechnen, dann den Regler auf deinen Wert stellen. Pfeiltasten ändern den Wert in kleinen Schritten.
    012.525
    \(g(x)=-\tfrac{18}{25}x+18\), also \(A(x)=-0{,}72x^{2}+18x\) und \(A'(x)=-1{,}44x+18=0\) mit \(x=12{,}5\) — wieder die halbe Breite. Die größte Fläche beträgt \(12{,}5\cdot 9=112{,}5\;\text{cm}^{2}\).