Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben ist die Zielgröße keine Fläche, sondern eine Zeit oder ein Preis. Der Weg bleibt derselbe: Zielgröße und Nebenbedingung trennen, die Zielfunktion aufstellen, ableiten — und am Ende prüfen, ob die rechnerische Lösung im Definitionsbereich überhaupt zulässig ist. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Der Rettungsschwimmer
AFB IEin Rettungsschwimmer läuft am Strand mit \(6\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\) und schwimmt mit \(1{,}5\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\). Die zu rettende Person ist \(60\,\text{m}\) am Strand entlang und \(40\,\text{m}\) vom Ufer entfernt (Material M1). Er läuft zunächst am Ufer entlang und geht dann schräg ins Wasser; \(x\) bezeichnet die waagerechte Entfernung, die er schwimmend zurücklegt.
Der Laufweg beträgt \(60-x\), der Schwimmweg nach dem Satz des Pythagoras \(\sqrt{x^{2}+40^{2}}\).
- Stelle die Zielfunktion \(t(x)\) mit Definitionsbereich auf.
- Bestimme die Stelle \(x\), an der die Gesamtzeit minimal wird.
- Gib die kürzeste Gesamtzeit an und formuliere einen Antwortsatz.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Laufweg \(60-x\), Schwimmweg \(\sqrt{x^{2}+1600}\). Damit ist \(t(x)=\dfrac{60-x}{6}+\dfrac{\sqrt{x^{2}+1600}}{1{,}5}\) mit \(D=[0;60]\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(t′(x)=-\dfrac16+\dfrac{x}{1{,}5\sqrt{x^{2}+1600}}=0 \Leftrightarrow \dfrac{x}{\sqrt{x^{2}+1600}}=\dfrac14 \Leftrightarrow 16x^{2}=x^{2}+1600 \Leftrightarrow 15x^{2}=1600\), also \(x=\sqrt{\tfrac{1600}{15}}\approx 10{,}33\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(t(10{,}33)=\dfrac{49{,}67}{6}+\dfrac{\sqrt{106{,}7+1600}}{1{,}5}\approx 8{,}28+27{,}54=35{,}82\). Antwortsatz: Der Rettungsschwimmer läuft rund \(49{,}7\,\text{m}\) am Ufer entlang und geht dann ins Wasser. Er erreicht die Person nach etwa \(35{,}8\,\text{s}\) — das ist die kürzestmögliche Zeit.
Das Seekabel
AFB IIVon einer Insel, die \(6\,\text{km}\) vor der geradlinigen Küste liegt, soll ein Kabel zu einem Ort verlegt werden, der \(20\,\text{km}\) von dem küstennahen Punkt entfernt ist. Unter Wasser kostet ein Kilometer \(5000\,\text{€}\), an Land \(3000\,\text{€}\). Das Kabel wird geradlinig vom Ufer zur Insel und geradlinig am Ufer entlang geführt; \(x\) sei der Abstand des Anlandungspunkts vom küstennahen Punkt.
- Stelle die Kostenfunktion \(K(x)\) mit Definitionsbereich auf.
- Bestimme den kostenoptimalen Anlandungspunkt und die zugehörigen Kosten.
- Vergleiche das Ergebnis mit den beiden naheliegenden Varianten „direkt zum Ort“ und „kürzester Seeweg“.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K(x)=5000\sqrt{x^{2}+36}+3000\,(20-x)\) mit \(D=[0;20]\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K′(x)=\dfrac{5000x}{\sqrt{x^{2}+36}}-3000=0 \Leftrightarrow 5x=3\sqrt{x^{2}+36} \Leftrightarrow 25x^{2}=9x^{2}+324 \Leftrightarrow 16x^{2}=324\), also \(x=4{,}5\). Kosten: \(K(4{,}5)=5000\cdot\sqrt{20{,}25+36}+3000\cdot 15{,}5=5000\cdot 7{,}5+46\,500=84\,000\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Direkt zum Ort \((x=20)\): \(K(20)=5000\cdot\sqrt{436}\approx 104\,400\,\text{€}\). Kürzester Seeweg \((x=0)\): \(K(0)=5000\cdot 6+3000\cdot 20=90\,000\,\text{€}\). Antwortsatz: Der optimale Anlandungspunkt liegt \(4{,}5\,\text{km}\) vom küstennahen Punkt entfernt; das Kabel kostet dann \(84\,000\,\text{€}\). Gegenüber der direkten Verlegung spart das rund \(20\,400\,\text{€}\), gegenüber dem kürzesten Seeweg noch \(6000\,\text{€}\).
Die günstigste Reisegeschwindigkeit
AFB IIEin LKW legt eine Strecke von \(300\,\text{km}\) zurück. Pro Stunde fallen \(60\,\text{€}\) feste Kosten (Fahrer, Abschreibung) an sowie Kraftstoffkosten, die mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wachsen: \(0{,}02\,v^{2}\) Euro je Stunde bei \(v\) in \(\tfrac{\text{km}}{\text{h}}\). Gesucht ist die kostengünstigste Reisegeschwindigkeit.
- Stelle die Kostenfunktion \(K(v)\) auf und vereinfache sie.
- Bestimme die günstigste Geschwindigkeit und weise das Minimum nach.
- Deute das Ergebnis und erkläre, warum die Fahrzeit im Optimum genauso teuer ist wie der Kraftstoff.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(K(v)=\dfrac{300}{v}\,\bigl(60+0{,}02v^{2}\bigr)=\dfrac{18\,000}{v}+6v\) mit \(D=\,]0;\infty[\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K′(v)=-\dfrac{18\,000}{v^{2}}+6=0 \Leftrightarrow v^{2}=3000\), also \(v=\sqrt{3000}\approx 54{,}77\). Wegen \(K″(v)=\dfrac{36\,000}{v^{3}}>0\) für \(v>0\) liegt ein Minimum vor.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(K(54{,}77)=\dfrac{18\,000}{54{,}77}+6\cdot 54{,}77\approx 328{,}6+328{,}6=657{,}3\). Beide Summanden sind gleich groß — das ist kein Zufall: Aus \(\tfrac{18\,000}{v^{2}}=6\) folgt \(\tfrac{18\,000}{v}=6v\), also stimmen im Optimum genau die zeitabhängigen Kosten mit den Kraftstoffkosten überein. Antwortsatz: Bei rund \(55\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}\) ist die Fahrt mit etwa \(657\,\text{€}\) am günstigsten; schneller zu fahren spart Zeit, kostet aber überproportional viel Kraftstoff.
Wenn das Optimum außerhalb liegt
AFB IIIEin zweiter Rettungsschwimmer läuft mit \(5\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\) und schwimmt mit \(2\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\). Die Person ist diesmal nur \(20\,\text{m}\) am Strand entlang, aber \(50\,\text{m}\) vom Ufer entfernt. Wieder bezeichnet \(x\) die waagerechte Entfernung des Schwimmwegs.
- Stelle die Zielfunktion \(t(x)\) mit Definitionsbereich auf und bestimme die rechnerische Lösung von \(t′(x)=0\).
- Prüfe, ob diese Lösung im Definitionsbereich liegt, und bestimme das Minimum auf \([0;20]\).
- Deute das Ergebnis im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(t(x)=\dfrac{20-x}{5}+\dfrac{\sqrt{x^{2}+2500}}{2}\) mit \(D=[0;20]\). \(t′(x)=-\dfrac15+\dfrac{x}{2\sqrt{x^{2}+2500}}=0 \Leftrightarrow \dfrac{x}{\sqrt{x^{2}+2500}}=\dfrac25 \Leftrightarrow 25x^{2}=4x^{2}+10\,000 \Leftrightarrow 21x^{2}=10\,000\), also \(x\approx 21{,}82\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Diese Stelle liegt außerhalb von \([0;20]\) und ist damit keine zulässige Lösung. Vorzeichen am rechten Rand: \(t′(20)=-0{,}2+\dfrac{20}{2\sqrt{2900}}\approx-0{,}2+0{,}186=-0{,}014<0\); da \(t′\) auf \([0;20]\) durchgehend negativ ist, fällt \(t\) dort streng monoton. Das Minimum liegt also am rechten Rand: \(t(20)=\dfrac{\sqrt{400+2500}}{2}=\dfrac{\sqrt{2900}}{2}\approx 26{,}93\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Zum Vergleich: \(t(0)=\dfrac{20}{5}+\dfrac{50}{2}=29\). Antwortsatz: Der Rettungsschwimmer läuft in diesem Fall gar nicht am Ufer entlang, sondern geht sofort ins Wasser und schwimmt den direkten Weg; er benötigt dann rund \(26{,}9\,\text{s}\). Weil die Person fast direkt gegenüber liegt und der Geschwindigkeitsvorteil an Land nur \(2{,}5\)-fach ist, lohnt sich der Umweg über den Strand nicht mehr.
Ist der kürzeste Weg der schnellste?
AFB IIIWir kehren zur Situation aus Aufgabe 1 zurück: laufen \(6\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\), schwimmen \(1{,}5\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\), Person \(60\,\text{m}\) am Strand entlang und \(40\,\text{m}\) draußen (Material M2). Ein Badegast meint: „Der kürzeste Weg ist doch immer auch der schnellste.“
Am rechten Rand \((x=60)\) wird der Weg am kürzesten — die Zeit dort aber am größten.
- Berechne die Gesamtzeit für \(x=0\), für \(x\approx 10{,}33\) und für \(x=60\).
- Widerlege die Aussage des Badegasts.
- Erläutere, wovon die optimale Stelle \(x\) abhängt und wovon nicht.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(x=0\): \(t=\dfrac{60}{6}+\dfrac{40}{1{,}5}=10+26{,}67=36{,}67\,\text{s}\).
\(x\approx 10{,}33\): \(t\approx 35{,}82\,\text{s}\).
\(x=60\): \(t=\dfrac{\sqrt{3600+1600}}{1{,}5}=\dfrac{72{,}11}{1{,}5}\approx 48{,}07\,\text{s}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der kürzeste Weg ist der geradlinige mit \(72{,}11\,\text{m}\) bei \(x=60\). Er dauert mit rund \(48{,}1\,\text{s}\) jedoch deutlich länger als der optimale Weg mit rund \(35{,}8\,\text{s}\), obwohl dieser insgesamt \(49{,}7+41{,}3\approx 91{,}0\,\text{m}\) lang ist. Die Aussage ist damit widerlegt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Aus \(t′(x)=0\) folgt \(\dfrac{x}{\sqrt{x^{2}+d^{2}}}=\dfrac{v_{\text{schwimm}}}{v_{\text{lauf}}}\). Die optimale Stelle hängt also nur vom Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten und vom Uferabstand \(d\) ab — nicht davon, wie weit die Person am Strand entlang entfernt ist. Diese Entfernung bestimmt lediglich, wie lange gelaufen wird, und ob das Optimum überhaupt im Definitionsbereich liegt. Antwortsatz: Entscheidend ist nicht die Weglänge, sondern wie viel von ihr im langsamen Medium zurückgelegt wird.
