Analysis
Extremwertprobleme (Optimierung)
Maximaler Gewinn, minimaler Materialverbrauch: Optimierung mit der Ableitung.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Welche Dose braucht bei 1 Liter Inhalt am wenigsten Blech? Welches hat bei festem die größte ? Extremwertprobleme sind Analysis für die echte Welt: Optimierung von Kosten, Material, Gewinn oder Platz. Der Trick: die gesuchte Größe als Funktion einer ausdrücken und ihr Maximum/Minimum bestimmen.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die Zielgröße und die Nebenbedingung in einer Sachaufgabe identifizieren.
die Zielfunktion auf eine reduzieren.
das Extremum mit der bestimmen und die Art nachweisen.
das Ergebnis im Sachkontext interpretieren (Definitionsbereich!).
Der Fahrplan der Optimierung
Bisher war die Funktion immer schon gegeben, und du hast ihre bestimmt. Bei Extremwertproblemen ist das anders: Du bekommst eine Sachsituation und musst die Funktion selbst aufstellen. Genau darin liegt die eigentliche Schwierigkeit, das am Ende ist Routine.
Die typische Ausgangslage
„Aus einem Draht von Länge soll ein mit größtmöglicher gebogen werden."
Das Problem: Die Fläche hängt von zwei Größen ab, Länge und Breite. Ableiten kannst du aber nur eine Funktion mit einer . Der ganze Fahrplan dient dazu, diese zweite Variable loszuwerden.
Die zwei Bedingungen, der Kern der Sache
Jede Extremwertaufgabe enthält genau zwei Informationen, und du musst sie sauber trennen:
Die Hauptbedingung beschreibt, was optimiert werden soll, die Größe, die maximal oder minimal werden soll. Sie liefert die Zielfunktion. Erkennungsmerkmal im Text: „größtmöglich", „minimale Kosten", „maximales ".
Die Nebenbedingung beschreibt die Einschränkung, das, was fest vorgegeben ist. Erkennungsmerkmal: „aus einem Draht von ", „ Zaun stehen zur Verfügung", „das Blech ist groß".
Die Prüffrage: Was ist fest, was darf sich ändern? Das Feste ist die Nebenbedingung, das Gesuchte die Hauptbedingung.
Der Fahrplan in sechs Schritten
- Zielgröße benennen und als Formel aufschreiben → Zielfunktion (noch mit zwei Variablen).
- Nebenbedingung als aufstellen.
- Einsetzen: Nebenbedingung nach einer Variablen auflösen und in die Zielfunktion einsetzen. Jetzt hängt sie von einer Variablen ab.
- Definitionsbereich aus dem Sachzusammenhang festlegen (keine negativen Längen!).
- Extremum bestimmen: , Art über nachweisen.
- Antwortsatz im Sachzusammenhang, mit Einheit und mit allen gefragten Größen.
Schritt 3 ist der entscheidende. Er verwandelt ein Problem mit zwei Unbekannten in eine gewöhnliche Extremwertaufgabe. Und Schritt 6 wird am häufigsten vergessen: Meist ist nicht nur gefragt, sondern auch die zweite Größe und der erreichte Bestwert.
Der Fahrplan an einem Beispiel
„Aus einem Draht von Länge soll ein mit größtmöglichem gebogen werden. Bestimme seine Maße."
Gehen wir den Fahrplan Schritt für Schritt durch.
Schritt 1: Zielgröße und Zielfunktion. Optimiert werden soll die Fläche. Für ein Rechteck mit den Seiten und gilt:
Diese Funktion hat noch zwei , so lässt sie sich nicht .
Schritt 2: Nebenbedingung. Fest vorgegeben ist die Drahtlänge, also der :
Schritt 3: eine Variable eliminieren. Löse die Nebenbedingung nach einer Variablen auf. Hier bietet sich an:
Und jetzt einsetzen, damit verschwindet aus der Zielfunktion:
Das war der entscheidende Schritt. Ab hier ist es eine gewöhnliche Extremwertaufgabe.
Schritt 4: Definitionsbereich. Beide Seiten müssen positiv sein: , und wegen auch . Also .
Schritt 5: Maximum bestimmen.
Art nachweisen: → es ist tatsächlich ein Maximum ✓ Und liegt im erlaubten Bereich ✓
Schritt 6: vollständig antworten. Gefragt waren die Maße, also brauchst du noch :
Antwort: Die größte Fläche entsteht bei einem mit der Seitenlänge ; sie beträgt .
Das Ergebnis ist typisch: Bei festem Umfang ist das Quadrat immer das flächengrößte Rechteck. Der Graph der Zielfunktion unten zeigt es, eine nach unten geöffnete mit dem Scheitel genau in der Mitte.
Zielfunktion A(x) = 10x − x²
mit : Zielgröße . Das Maximum liegt bei (und ). Ergebnis: , das hat die größte Fläche.
Warum das Verfahren funktioniert, und wo es Fallen hat
Was die Nebenbedingung leistet
Ohne Einschränkung wäre die Aufgabe sinnlos: Ein kann beliebig groß werden, wenn man beliebig viel Draht hat. Erst die Nebenbedingung macht das Problem lösbar, sie koppelt die beiden aneinander.
Ist der fest, kannst du die Breite nicht mehr frei wählen, sobald die Länge feststeht. Genau deshalb darfst du eine Variable durch die andere ersetzen, und genau deshalb bleibt am Ende eine Funktion mit einer Variablen übrig. Ab da ist es dieselbe Aufgabe wie in den vorigen Kapiteln.
Warum der Definitionsbereich mitgedacht werden muss
Die Mathematik rechnet auch mit Werten, die es in der Situation nicht geben kann. Eine Seitenlänge von oder von bei nur Draht ist unmöglich.
Beim Rechteck-Beispiel folgt aus und der Forderung, dass beide Seiten positiv sein müssen:
Wozu das gut ist: Liegt eine rechnerische Lösung außerhalb dieses Bereichs, scheidet sie aus. Und wenn das Maximum am Rand des Bereichs läge, würde es gar nicht finden: Randwerte muss man dann gesondert prüfen.
Drei Fehler, die in Klassenarbeiten Punkte kosten
1. Haupt- und Nebenbedingung vertauschen. Wer den Umfang maximiert statt der , löst die falsche Aufgabe. Prüfe immer: Was soll optimal werden?
2. Den Nachweis der Art vergessen. liefert nur einen Kandidaten. Ohne (oder Vorzeichenwechsel) ist nicht gezeigt, dass es wirklich ein Maximum ist, und nicht etwa ein Minimum.
3. Die zweite Größe nicht berechnen. Gefragt sind meist die Maße des optimalen Rechtecks. Mit allein ist die Aufgabe nicht beantwortet; du brauchst noch und den Bestwert .
Ein schönes Ergebnis nebenbei: Es kommt heraus, das flächengrößte Rechteck bei festem Umfang ist immer ein . Dieses Muster taucht in vielen Optimierungsaufgaben auf: Die beste Lösung ist oft die symmetrische.
Denk weiter: Eine Werkstatt schafft höchstens 6 Stück am Tag. Ihr Tagesgewinn ist minus x Quadrat plus 16 x minus 10 Euro. Bei welcher Stückzahl ist der Gewinn maximal?
Rechne erst selbst, und trau dem Ergebnis von nicht blind.
mit liefert . Aber 8 Stück sind gar nicht möglich, der erlaubte Bereich ist . Der Kandidat scheidet aus.
Heißt das „kein Maximum"? Nein, jetzt greift die Rand-Warnung aus dem Text: Auf dem ganzen erlaubten Bereich ist (selbst bei noch ), der Gewinn steigt durchgehend. Das Maximum liegt deshalb am Rand:
Die Werkstatt fährt am besten mit voller Auslastung: 6 Stück, 50 Euro Tagesgewinn. Wer nur rechnet und „8 Stück" antwortet, empfiehlt eine unmögliche Stückzahl: Randmaxima findet die nicht, weil dort keine waagerechte ist. Genau dafür steht Schritt 4 des Fahrplans.
Maximale Fläche am Fluss
Ein rechteckiges Weidestück soll an einem geraden Fluss eingezäunt werden, der Fluss bildet eine Seite, für die anderen drei Seiten stehen Zaun zur Verfügung. Welche Maße ergeben die größte ?
- 1
Zuerst eine Skizze im Kopf, und der Blick auf die Besonderheit. Am Fluss wird nicht gezäunt. Von den vier Rechteckseiten müssen also nur drei aus dem Zaun gebaut werden.
Genau darin liegt der Unterschied zur Standardaufgabe. Nennen wir die beiden Seiten senkrecht zum Fluss und die Seite parallel dazu. Dann gehören zum Zaun zweimal und einmal .
- 2
Schritt 1: Zielgröße und Zielfunktion. Maximiert werden soll die Fläche:
Noch zwei , so nicht ableitbar.
- 3
Schritt 2: Nebenbedingung. Fest vorgegeben ist die Zaunlänge, und zwar für drei Seiten:
Hier entscheidet sich die Aufgabe. Wer ansetzt (wie beim üblichen Umfang), rechnet die falsche Aufgabe. Lies solche Texte deshalb genau: Welche Seiten werden wirklich gezäunt?
- 4
Schritt 3: Eine Variable eliminieren. Löse die Nebenbedingung nach auf. Das ist hier besonders einfach, weil allein steht:
Einsetzen in die Zielfunktion:
Jetzt hängt alles nur noch von ab.
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Schritt 4: Definitionsbereich. Beide Seiten müssen positiv sein: , und aus folgt .
- 6
Schritt 5: Maximum bestimmen.
Art nachweisen:
Und liegt im erlaubten Bereich ✓
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Schritt 6: Vollständig antworten. Gefragt waren die Maße, also brauchst du auch und sinnvollerweise den Bestwert:
Beachte das Ergebnis: Diesmal ist es kein Quadrat, sondern ist doppelt so lang wie . Das liegt an der fehlenden vierten Seite, der Fluss „spart" Zaun, deshalb lohnt es sich, die Weide in seine Richtung länger zu machen.
Kontrolle: Zaunlänge nachrechnen: ✓
Breite (senkrecht zum Fluss) , Länge (am Fluss) , maximale Fläche .
Die Lehre: Die Nebenbedingung muss die Situation genau abbilden. Drei Seiten statt vier ändern das Ergebnis vollständig, beim üblichen käme ein heraus.
Schachtel mit maximalem Volumen
Aus einem quadratischen Karton mit der Seitenlänge wird eine offene Schachtel gefaltet: An jeder Ecke wird ein der Seitenlänge ausgeschnitten, dann werden die Seiten hochgeklappt. Für welches wird das maximal?
- 1
Zuerst verstehen, was beim Falten passiert. Das ist der schwierigste Teil der Aufgabe, ohne Skizze geht es kaum.
Aus jeder Ecke wird ein Quadrat der Seite entfernt. Klappt man die Ränder hoch, entsteht:
- die Höhe der Schachtel: genau (die hochgeklappten Streifen sind breit)
- die Grundfläche: ein Quadrat, dessen Seite an beiden Enden um kürzer geworden ist, also
Der häufigste Fehler: statt . Es wird an jedem Ende etwas abgeschnitten.
- 2
Schritt 1: Zielfunktion aufstellen. Volumen ist Grundfläche mal Höhe:
Hier ist keine Nebenbedingung nötig, die Geometrie des Faltens liefert die Zielfunktion direkt in einer . Das ist bei Faltaufgaben typisch.
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Schritt 2: Definitionsbereich aus dem Sachkontext. Der Ausschnitt muss positiv sein (), und es muss Boden übrig bleiben:
Diese Grenze wird später wichtig, sie sortiert eine rechnerische Lösung aus.
- 4
Schritt 3: Für das ausmultiplizieren. Ein Produkt mit Klammer-Quadrat leitet man am einfachsten ab, wenn man es vorher auflöst:
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Schritt 4: Ableiten und Kandidaten bestimmen.
Setze null und teile zur Vereinfachung durch :
p-q-Formel mit , :
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Schritt 5: Kandidaten am Definitionsbereich prüfen. Hier zeigt sich, warum Schritt 2 wichtig war:
- liegt in ✓
- liegt nicht im Bereich, bei wäre die Grundfläche , es gäbe gar keine Schachtel mehr ✗
Also bleibt nur .
Art nachweisen: , also → Maximum ✓
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Schritt 6: Antworten, mit dem erreichten Volumen.
Plausibilität: Die Schachtel ist groß und hoch. Bei einem sehr kleinen wäre sie flach (wenig Volumen), bei einem großen schmal und hoch (auch wenig), das Maximum liegt sinnvollerweise dazwischen ✓
Für wird das Volumen maximal: (Schachtel ).
Zwei Dinge, die diese Aufgabe lehrt: Beim Falten wird die Seite an beiden Enden kürzer (). Und der Definitionsbereich ist kein Formalismus, er sortiert hier die unbrauchbare Lösung aus.
Typischer Fehler
„Ich leite einfach nach ab: , setze null … das geht nicht auf."
Die Zielfunktion hat zwei . So ist sie nicht optimierbar! Erst die Nebenbedingung einsetzen, um eine Variable zu eliminieren: aus mit wird , eine Funktion von einer Variablen. Der vergessene Einsetz-Schritt ist der häufigste Fehler bei Extremwertproblemen. Zwei Variablen → immer koppeln!
Übung 1
leichtZwei Zahlen haben die Summe 20. Für welche wird ihr Produkt maximal?
Tipp anzeigen
Zielfunktion , Nebenbedingung .
Lösung anzeigen
;
, . Maximales Produkt (beide Zahlen gleich).
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Nebenbedingung: eine Variable eliminieren
Zwei Zahlen und mit → . Das Produkt wird damit zur Funktion EINER : .
- 2
Maximum über die Ableitung
; wegen ein Maximum. Dann und .
Zwischenergebnis
,
- 3
Das Ergebnis deuten: Gleichheit gewinnt
Beide Zahlen sind GLEICH ( und ), jedes ungleiche Paar liefert weniger: , , .
Übung 2
mittelEin hat den . Für welche Maße ist sein minimal?
Tipp anzeigen
Zielfunktion Umfang , Nebenbedingung .
Lösung anzeigen
;
(positiv), .
→ Minimum. Das () hat den kleinsten Umfang.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Zielfunktion mit Nebenbedingung aufstellen
Nebenbedingung → . Ziel ist der Umfang: .
- 2
Ableiten und Kandidaten finden
: (nur die positive Lösung ist eine Seitenlänge). Dann .
Zwischenergebnis
cm
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Minimum nachweisen und antworten
; → Minimum. Das Quadrat cm hat den kleinsten Umfang: cm.
Übung 3
schwerEine oben offene zylindrische Dose soll fassen. Für welchen ist der Materialverbrauch (Boden + Mantel) minimal? (Runde auf eine Nachkommastelle.)
Tipp anzeigen
Zielfunktion , Nebenbedingung .
Lösung anzeigen
Aus : .
( → Minimum).
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Nebenbedingung: h durch r ausdrücken
fest: .
- 2
Materialfunktion aufstellen
Material = Boden + Mantel (oben offen!): .
- 3
Ableiten, nullsetzen, auflösen
cm.
Zwischenergebnis
cm
Zusammenfassung
Optimierung folgt einem festen Fahrplan: Zielfunktion (was optimiert wird) und Nebenbedingung (die Einschränkung) aufstellen, per Einsetzen auf eine reduzieren, Definitionsbereich klären, Extremum mit und -Test bestimmen, Antwortsatz formulieren. Der Schlüsselschritt ist das Koppeln der Variablen, zwei Variablen lassen sich nicht optimieren.


