Willkommen bei unserem Mathe Café!
Eine Herzensangelegenheit des Teams ist es Schüler beim Mathelernen zu unterstützen. Wir bieten ...
Artikel und kompakte Tutorials, die den Matheunterricht ergänzen.
Aufgabenpakete mit ausführlichen Lösungen für die weitere Übung.
Online-Events, wo wir Schülerfragen live beantworten.
DANKE, dass Sie in unserem Blog vorbeiblicken! Wir hoffen, Sie finden unsere Artikel und Ressourcen hilfreich!

Freitag, 18. August 2023

Ereignisse bei Zufallsexperimenten – Teil 1 (Mengenlehre)

Bei der Wahrscheinlichkeitsrechnung arbeitet man mit Mengen und Ergebnissen und Ereignissen. Damit man die unterschiedlichen Fachbegriffe versteht und richtig benutzt, wird dieser Artikel in zwei Teile strukturiert. Zuerst werden die Begriffe der Mengenlehre kurz wiederholt und danach übertragen wir das Ganze auf die Ergebnisse und Ereignisse von Zufallsexperimenten.


Inhalstübersicht

Teil 1: Mengenlehre in a nutshell
Teil 2: Ergebnisse und Ereignisse (kommt bald!)



Teil 1: Mengenlehre in a nutshell


A. Elemente einer Menge

  • Die Elemente einer Menge sind alle Objekte (z.B. Zahlen), die zu dieser Menge gehören.
  • Schreibweise:
    • Mengen werden meistens mit Großbuchstaben dargestellt.
    • Die einzelnen Elemente der Menge werden zwischen geschweiften Klammern gesetzt und durch Kommas oder Semikolons getrennt. Die Reihenfolge spielt dabei keine Rolle.
    • Diese Art nennt man die "Aufzählende Mengenschreibweise".
  • Mengendiagramme:
    • Diese dienen der graphischen Veranschaulichung von Mengen.
    • Eine Menge wird als Kreis dargestellt.
    • Alle Elemente der Menge werden innerhalb des Kreises geschrieben.
  • Die Anzahl der Elemente einer Menge A wird als Mächtigkeit |A| bezeichnet.

Beispiel:
A sei die Menge aller Primzahlen kleiner als 15.

So schreibt man die Menge A:
A = {2, 3, 5, 7, 11, 13}

Wenn ein Element zur Menge A gehört, wird das so geschrieben:
2 ∈ A    (lies: 2 ist ein Element von A)

Wenn ein Element nicht zur Menge A gehört, wird das so geschrieben:
10 ∉ A    (lies: 10 ist kein Element von A)

Die Mächtigkeit von A sei:
|A| = 6

So wird die Menge A als Mengendiagramm dargestellt:











B. Beziehungen und Verknüpfungen von Mengen

Diagramm Schreibweise Erklärung
A = B

A ist gleich B, wenn alle Elemente von A auch Elemente von B sind und umgekehrt.

B ⊂ A

B ist eine Teilmenge von A, wenn jedes Element von B auch in Menge A vorkommt.

A ∩ B

lies: A geschnitten B

bedeutet: UND

Die Schnittmenge von A und B enthält alle Elemente, die sowohl zu A als auch zu B gehören.

A ∪ B

lies: A vereinigt B

bedeutet: ODER

Die Vereinigungsmenge von A und B enthält alle Elemente, die zu A oder zu B oder zu beiden Mengen gehören.

A \ B

lies: A ohne B

bedeutet: OHNE

Die Differenzmenge von A ohne B enthält alle Elemente von A, die aber nicht in B vorkommen.

(A ∩ B̅) ∪ (A̅ ∩ B)

bedeutet: ENTWEDER A ODER B

Die symmetrische Differenzmenge von A und B umfasst jene Elemente, die ausschließlich in einer der beiden Mengen, nicht aber in beiden Mengen, enthalten sind.

lies: A quer

bedeutet: NICHT

Die Komplementmenge von A bezüglich einer Grundmenge G enthält alle Elemente aus G, die nicht in Menge A enthalten sind.


C. Sonderfälle

  • Lehre Menge:
    • Das ist eine Menge, die keine Elemente enthält.
    • Schreibweise: { } ODER ∅
  • Disjunkte Mengen:
    • Diese sind Mengen, die keine gemeinsamen Elemente haben.
    • Schreibweise: A ∩ B = ∅
    • Im Mengendiagram zeichnet man zwei Kreise, die sich nicht überschneiden.

D. Regeln von DE Morgen

Gesetz Erklärung

bedeutet: WEDER A NOCH B

Die resultierende Komplementmenge enthält alle Elemente aus der Grundmenge G, die weder in A noch in B enthalten sind.


bedeutet: NICHT BEIDE

Die resultierende Komplementmenge enthält alle Elemente aus der Grundmenge G, die nicht gleichzeitig in A und B enthalten sind.



E. Beispiel

Gegeben sind eine Grundmenge G und vier Teilmengen A, B, C und D.

G = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15}
A = {1, 2, 10, 14}
B = {3, 8, 9}
C = {1, 2, 5, 6, 7}
D = {1, 6, 12, 15}

1. Bestimmen Sie die folgenden Mengen:







2. Stellen Sie die Mengen A, B, C, D und G in einem Mengendiagramm dar.


Lösung:

Zu Aufgabe 1:

Hinweis:In diesem Artikel wird nur ein Teil dieser Aufgabe gelöst. Die komplette ausführliche Lösung können Sie in diesem Aufgabenpaket kostenlos herunterladen.











Zu Aufgabe 2:



F. Weitere Aufgaben

Ich hoffe, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Im nächsten Beitrag dieser Artikelserie lernen wir, wie man unser Wissen über die Mengenlehre anwenden kann, damit man die Ergebnisse und Ereignisse bei Zufallsexperimenten versteht, als Mengen erfasst und damit Wahrscheinlichkeitsfragen beantworten könnte.

Für weitere Übungsaufgaben zum Thema "Mengenlehre" können Sie dieses Aufgabenpaket kostenlos von unserem Download-Center herunterladen.

Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!

Montag, 24. April 2023

Rekonstruktion von Funktionen (Steckbriefaufgaben)

Bei der Rekonstruktion von Funktionen (auch "Steckbriefaufgaben" genannt) sucht man eine Funktionsgleichung mit Hilfe von gegebenen Eigenschaften des Graphen dieser Funktion (z.B. Punkte, Nullstellen, Extrema, Steigung ... usw.).

In diesem Artikel finden Sie...

  • Vorgehensweise für die Bearbeitung von Steckbriefaufgaben
  • Referenztabelle: Zuordnung von den Eigenschaften eines Graphen zu den entsprechenden mathematischen Bedingungen
  • Beispiel mit ausführlicher Lösung
  • Links zu weiteren Übungsaufgaben



A. Vorgehensweise

1. Allgemeine Funktionsgleichung aufschreiben:

In diesem Schritt sollte man aus dem Text herauslesen um welche Funktionsart es sich handelt, z.B. eine ganzrationale Funktion dritten Grades hat die Funktionsgleichung f(x) = ax3 + bx2 + cx + d.

Eine Aussage über die Symmetrie der Funktion würde die allgemeine Funktionsgleichung weiterhin verfeinern, z.B. eine ganzrationale Funktion dritten Grades, die punktsymmetrisch zum Ursprung sei, hat die Funktionsgleichung f(x) = ax3 + bx.

Manchmal ist die allgemeine Funktionsgleichung explizit bei der Aufgabestellung gegeben, z.B. f(x) = a ⋅ ebx + c. In diesem Fall sollte man einfach zum nächsten Schritt springen!


2. Funktionsbedingungen sammeln:

In diesem Schritt wandelt man die Eigenschaften des Graphen in mathematischen Bedingungen um.

Hinweise:

  • Anzahl der Bedingungen = Anzahl der Parameter in der allgemeinen Funktionsgleichung
  • Sie finden im nächsten Abschnitt eine Tabelle, die die häufig benutzten Ausdrücke bei den Aufgaben mathematischen Bedingungen zuordnet.

3. Ableitungen vorbereiten:

Aus den vorliegenden Bedingungen kann man erkennen welche Ableitungen der allgemeinen Funktionsgleichung man braucht. Diese sollte man jetzt ermitteln.


4. Gleichungssystem aufstellen und lösen:

In diesem Schritt setzt man die im zweiten Schritt gesammelten Bedingungen in der allgemeinen Funktionsgleichung und den Ableitungsfunktionen ein.

Das aufgestellte Gleichungssystem sollte man jetzt lösen, um die Werte der Parameter bei der allgemeinen Funktionsgleichung zu bestimmen.


5. Ergebnis: Gesuchte Funktionsgleichung aufschreiben!

Jetzt setzt man die berechneten Werte der Parameter in der allgemeinen Funktionsgleichung ein und bekommt die gesuchte Funktionsgleichung.


B. Eigenschaften des Graphen → mathematische Bedingungen

In der folgenden Tabelle finden Sie in der linken Spalte die häufig benutzten Ausdrücke, mit denen man bei den Aufgaben die Eigenschaften eines Graphen beschreibt. Und in der rechten Spalte sehen Sie, wie diese Ausdrücke jeweils auf mathematische Bedingungen abgebildet werden können.

Der Graph der Funktion f…

Bedingungen

… geht durch den Ursprung.

f(0) = 0

… verläuft durch den Punkt P (3|8).

f(3) = 8

… schneidet die y-Achse bei y = 15.

f(0) = 15

… schneidet die x-Achse bei x = 4.

… hat bei x = 4 eine Nullstelle.

f(4) = 0

… berührt die x-Achse bei x = 4.

f(4) = 0

f'(4) = 0

… hat einen Extrempunkt an der Stelle x = 8.

f'(8) = 0

… hat einen Extrempunkt auf der y-Achse.

f'(0) = 0

… hat einen Extrempunkt bei P(8|6).

f(8) = 6

f'(8) = 0

… hat bei x = 4 eine Tangente, die parallel zur Gerade g: y = 2x + 6 verläuft.

f'(4) = 2

… hat bei x = 4 eine Tangente mit der Gleichung g: y = 2x + 6.

… berührt bei x = 4 die Gerade g(x) = 2x + 6.

f(4) = g(4) = 14

f'(4) = 2

… hat bei x = 5 dieselbe Steigung wie g(x) = x3 + 6.

f'(5) = g'(5) = 75    ( g'(x) = 3x2 )

… berührt bei x = 5 den Graphen der Funktion g(x) = x3 + 6.

f(5) = g(5) =  131

f'(5) = g'(5) = 75    ( g'(x) = 3x2 )

… schneidet bei x = 4 die Gerade g(x) = 2x + 6 senkrecht.

f(4) = g(4) = 14

f'(4) = – 0,5

… hat bei x = – 3 einen Wendepunkt.

f''(– 3) = 0

… hat bei x = 8 einen Sattelpunkt.

f'(8) = 0

f''(8) = 0

… hat an der Stelle x = 3 eine Wendetangente mit der Steigung 5.

f'(3) = 5

f''(3) = 0

… hat im Ursprung die 2. Winkelhalbierende als Wendetangente.

f(0) = 0

f'(0) = – 1   (Steigung der 2. WH)

f''(0) = 0

… ist symmetrisch zur y-Achse.

NUR gerade Exponenten

… ist punktsymmetrisch zum Ursprung.

NUR ungerade Exponenten



C. Beispiel



D. Weitere Aufgaben

Ich hoff, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Für weitere Übungen können Sie das Aufgabenpaket zum Thema "Steckbriefaufgaben" kostenlos von unserem Download-Center herunterladen. Und für das Lösen von linearen Gleichungssystemen können Sie unseren Artikel "Der Gaußsche Algorithmus zum Lösen von LGS" lesen und das entsprechende Aufgabenpaket herunterladen.

Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!


Freitag, 21. Oktober 2022

Der Gaußsche Algorithmus zum Lösen von LGS

Mit dem Gaußschen Algorithmus (auch "Gauß-Verfahren" genannt) kann man beliebig große lineare Gleichungssysteme (abgekürzt "LGS") lösen.

Der Gauß-Verfahren ist ziemlich einfach anzuwenden. Er beruht auf dem Additionsverfahren und lässt das LGS schrittweise und systematisch umformen, bis das System entweder eine Dreiecksgestalt oder eine Trapezgestalt erreicht.

Bei der Dreiecksgestalt hat das LGS genau eine Lösung.

Bei der Trapezgestalt hat das LGS entweder:

  • keine Lösung, wenn beim Umformen der Gleichungen eine falsche Aussage (bzw. Widerspruchszeile) entsteht. (z.B. 0 = 4).
  • unendlich viele Lösungen, wenn beim Umformen der Gleichungen eine unabhängig von den Variablen stets wahre Aussage (bzw. Nullzeile) entsteht (z.B. 0 = 0).




A. Der Algorithmus im Überblick




1.Ausgangsform (bzw. Normalform)

Das LGS in eine Ausgangsform bringen, wo die Variablen in den Gleichungen untereinander stehen und die Absolutglieder auf den rechten Seiten der entsprechenden Gleichungen stehen. Diese Darstellung wird auch Normalform genannt.


2. Erzeugen von Nullen in der 1. Spalte mit Hilfe der 1. Zeile

  • Die 1. Gleichung bleibt unverändert.
  • Mit Hilfe der 1. Gleichung sollen die Koeffizienten in der 1. Spalte für alle Gleichungen, die darunter stehen, durch Äquivalenzumformungen eliminiert.

3. Erzeugen von Nullen in der 2. Spalte mit Hilfe der 2. Zeile

  • Gleichungen 1 und 2 bleiben unverändert.
  • Mit Hilfe der 2. Gleichung sollen die Koeffizienten in der 2. Spalte für alle Gleichungen, die darunter stehen, durch Äquivalenzumformungen eliminiert.

4. Wiederholung vom Erzeugen von Nullen in der n. Spalte mit Hilfe der n. Zeile bis das System entweder die Dreieckgestalt oder die Trapezgestalt erreicht.


5. Lösung ermitteln (Fallunterscheidung)

  • Fall I: Dreiecksgestalt (LGS hat genau eine Lösung)

    i. Aus der Dreieckgestalt wird das System SEHR einfach rückwärts gelöst!

    ii. Die letzte Zeile des LGS hat jetzt NUR eine Variable. Diese kann man einfach bestimmen.

    iii. Jetzt sollte man rückwärts die Werte für alle Variablen ermitteln.

  • Fall II: Trapezgestalt (LGS hat ENTWEDER keine Lösung ODER unendlich viele Lösungen)

    i. Beim Umformen der Gleichungen ist eine falsche Aussage entstanden (z.B. 0 = 4) => keine Lösung

    ii. Beim Umformen der Gleichungen ist eine unabhängig von den Variablen stets wahre Aussage entstanden (z.B. 0 = 0). Jetzt ist Anzahl der Gleichungen im System < Anzahl der Variablen. => unendlich viele Lösungen



B. Beispiel



C. Weitere Aufgaben

Ich hoff, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Für weitere Übungen können Sie das Aufgabenpaket zum Thema "Gauß-Verfahren" kostenlos von unserem Download-Center herunterladen.

Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!

Dienstag, 14. Juni 2022

Prakitsche Anwendung der Integration – Teil 2: Berechnung von Flächeninhalten

Dieser Artikel ist Teil der Serie "Prakitsche Anwendung der Integration". In Teil 1 haben wir den Unterschied zwischen Integralwert und Flächenwert geklärt. Heute geht es um die Berechnung von unterschiedlichen Flächen mit Hilfe vom Integral.

Jeder Artikel enthält jeweils eine kurze Erklärung/Wiederholung mit Bespiel und anschließend Links zu weiteren Aufgaben mit ausführlichen Lösungen.


Inhalstübersicht

Teil 1: Integralwert vs Flächenwert
Teil 2: Berechnung von Flächeninhalten
Teil 3: Integration und Extremwertprobleme (kommt bald!)
Teil 4: Integration im Sachzusammenhang (kommt bald!)
Teil 5: Berechnung von Rauminhalten (kommt bald!)



Teil 2: Berechnung von Flächeninhalten


A. Zusammenfassung der Regeln

Flächen oberhalb der x-Achse:



Flächen unterhalb der x-Achse:



Flächen teils oberhalb, teils unterhalb der x-Achse:



Flächen zwischen zwei Kurven:



Flächen zwischen zwei sich schneidenden Kurven:




B. Beispiel

Berechnen Sie die Fläche, die im 1. Quadranten von den Graphen der Funktionen f, g und k begrenzt wird.

f(x) = 4x2      g(x) = 
1
4
 x2      k(x) = 
4
x2


Lösung:

Schritt 1: Skizze


Schritt 2: Schnittstellen bestimmen

Schnittstelle xS1 von den Graphen f und g:

4 x2
1
4
 x2      | -  
1
4
 x2



15
4
 x2 = 0



xS1 = 0


Schnittstelle xS2 von den Graphen f und k:

4 x2
4
x2
     | ⋅ x2 : 4



x4 = 1


xS2 = 1    ( xS2 = –1 liegt nicht im 1. Quadranten => ist also nicht relevant! )


Schnittstelle xS3 von den Graphen g und k:

1
4
 x2
4
x2
     | ⋅ x2 ⋅ 4



x4 = 16


xS3 = 2    ( xS3 = –2 liegt nicht im 1. Quadranten => ist also nicht relevant! )


Schritt 3: Flächenberechnung



C. Weitere Aufgaben

Ich hoff, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Wenn Sie das Gefühl haben, ja, jetzt kann ich unterschiedliche Flächen mit Hilfe vom Integral berechnen, dann untersuchen wir als nächstes Probleme, wo man einen Parameter ändern sollte, damit eine Fläche extremal wird. Wie diese Extremwertaufgaben aussehen könnten, lesen Sie im nächsten Beitrag der Artikelserie "Prakitsche Anwendung der Integration".
Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Für weitere Übungen können Sie die Aufgabenpakete zum Thema Integration kostenlos von unserem Download-Center herunterladen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!

Freitag, 3. Juni 2022

Prakitsche Anwendung der Integration – Teil 1: Integralwert vs Flächenwert

Für die Integralrechnung ist das Ermitteln von Stammfunktionen von vergleichbarer Bedeutung wie das Ermitteln von Ableitungen in der Differentialrechnung.

In einer früheren Artikelserie haben wir unterschiedliche Anwendungsprobleme für die Ableitung einer Funktion untersucht. Entsprechend starten wir heute eine neue Artikelserie, die in 5 Teilen das Thema "Prakitsche Anwendung der Integration" behandelt.

Jeder Artikel enthält jeweils eine kurze Erklärung/Wiederholung mit Bespiel und anschließend Links zu weiteren Aufgaben mit ausführlichen Lösungen.

Freu mich schon auf Eure Fragen und Kommentare!


Inhalstübersicht

Teil 1: Integralwert vs Flächenwert
Teil 2: Berechnung von Flächeninhalten
Teil 3: Integration und Extremwertprobleme (kommt bald!)
Teil 4: Integration im Sachzusammenhang (kommt bald!)
Teil 5: Berechnung von Rauminhalten (kommt bald!)



Teil 1: Integralwert vs Flächenwert


A. Geometrische Bedeutung vom Integralwert

Der Integralwert beschreibt den Flächeninhalt, den der Graph einer Funktion mit der x-Achse einschließt:

  • Der Betrag vom Integralwert gibt an, wie groß die Fläche ist.
  • Das Vorzeichen vom Integral gibt an, ob diese Fläche oberhalb (positiv) oder unterhalb (negativ) der x-Achse liegt.

Wenn man einen Flächeninhalt/Flächenwert berechnen möchte, sollte man folgendes beachten:

  • Flächeninhalte sind IMMER positiv.
  • Man sollte daher nur den Betrag vom Integralwert berücksichtigen.

Wenn der Graph einer Funktion im angegebenen Intervall teils unterhalb und teils oberhalb der x-Achse verläuft, dann sollte man wie folgt vorgehen.

  • Integralwert:
    • Die positiven und negativen Flächen heben sich auf. Der Integralwert gibt nur noch den Unterschied bzw. die Flächenbilanz an.
    • Der Integralwert ist positiv, wenn die gesamte Fläche oberhalb der x-Achse größer ist als die gesamte Fläche unterhalb der x-Achse.
    • Der Integralwert ist negativ, wenn die gesamte Fläche unterhalb der x-Achse größer ist als die gesamte Fläche oberhalb der x-Achse.
    • Der Integralwert ist Null, wenn die gesamte Fläche oberhalb der x-Achse und die gesamte Fläche unterhalb der x-Achse gleich groß sind.

  • Flächenwert:
    • Die positiven und negativen Flächen müssen getrennt voneinander berechnet werden.
    • Der Flächenwert ist dann die Summe der Beträge aller Teilflächen.

B. Graphisches Beispiel

Die Skizze zeigt die Flächen, die der Graph einer Funktion im Intervall [a ; c] mit der x-Achse einschließt. Der Integralwert von den unterschiedlichen Teilflächen ist in der Skizze gegeben.

Ermitteln Sie anhand der Skizze den Integralwert und den Flächenwert für die Intervalle [a ; b], [b ; c] und [a ; c].



Lösung:

Intervall

Integralwert

Flächenwert

[a ; b]

5

5 FE

[b ; c]

– 8

|– 8| = 8 FE

[a ; c]

5 – 8 = – 3

5 + |– 8| = 13 FE


C. Rechnerisches Beispiel

Gegeben ist die Funktion f(x) = x2 – 6x + 8.
Berechnen Sie den Integralwert und den Flächenwert, welche der Graph von f über dem Intervall [1 ; 5] mit der x-Achse einschließt.

Lösung:

1. Integralwert:


2. Flächenwert:

Schritt 1: Skizze


Schritt 2: Nullstellen bestimmen


Schritt 3: Flächenberechnung



Hinweis:


Man könnte auch die Symmetrie dieser Funktion anwenden, in dem man erkennt, dass A1 = A3.

Also gilt: A = 2 ⋅ A1 + |A2|


D. Weitere Aufgaben

Ich hoff, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Wie man unterschiedliche Flächen (z.B. Flächen zwischen 2 Kurven) mit Hilfe vom Integral berechnen kann, lesen Sie im nächsten Beitrag der Artikelserie "Prakitsche Anwendung der Integration".
Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Für weitere Übungen können Sie die Aufgabenpakete zum Thema Integration kostenlos von unserem Download-Center herunterladen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!

Freitag, 20. Mai 2022

Zusammenfassung und Beispiele zu den Integrationsregeln

Für die Integralrechnung ist das Ermitteln von Stammfunktionen von vergleichbarer Bedeutung wie das Ermitteln von Ableitungen in der Differentialrechnung.

In einem früheren Artikel haben wir eine Zusammenfassung der Ableitungsregeln sowie die Ableitungen von speziellen Funktionen bereitgestellt. Entsprechend werden wir in diesem Artikel Integrationsregeln und Stammfunktionen von speziellen Funktionen auflisten.


A. Grundbegriffe


B. Integrationsregeln


C. Integration der häufig verwendeten Funktionen


D. Beispiele




E. Weitere Aufgaben

Ich hoffe, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!
Für weitere Übungen können Sie die Aufgabenpakete zum Thema Integration kostenlos herunterladen. Außerdem, fangen wir bald eine neue Artikelserie, die in 5 Teile das Thema "Prakitsche Anwendung der Integration" behandelt.

Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!

Donnerstag, 17. Februar 2022

Prakitsche Anwendung der Ableitung – Teil 4

Wenn man mit dem Thema "Bestimmung der Ableitung von Funktionen" anfängt, kommt immer die Frage vor "Aber wozu braucht man überhaupt die Ableitung?"

Es gibt viele Anwendungsprobleme für die Ableitung einer Funktion. In diesem Artikel habe ich typische Probleme/Fragestellungen ausgewählt. Der Artikel ist in vier Teile strukturiert, die jeweils eine kurze Erklärung mit Bespiel und Links zu weiteren Fragen + Lösungen enthalten.

 

Inhaltsübersicht

Teil 1: Steigung, Steigungswinkel, Tangente und Normale

Teil 2: Hoch-, Tief-, Wendepunkte und Wendetangenten einer Funktion

Teil 3: Schneidung bzw. Berührung zweier Funktionen

Teil 4: Extremwertprobleme




Teil 4: Extremwertprobleme

A. Wiederholung

Extremwertprobleme - wie der Name es schon sagt - sind Probleme, wo nach den größten und kleinsten Werten (Extremwerten) gefragt ist.

Wir haben soweit wiederholt Extremwerte bestimmt von Funktionen, die dabei immer vorgegeben waren. Bei Extremwertproblemen ist das nicht der Fall!

Hier wird ein Problem beschrieben und man sollte mit Hilfe der Hinweise im Text die sogenannte Zielfunktion erst ermitteln. Danach kann man wie gewohnt die Extremwerte berechnen.


Strategie für das Lösen von Extremwertproblemen:

1. Welche Größe soll extremal werden?

Ich würde empfehlen hier immer mit einer Skizze anzufangen. Oder eine gegebene Skizze so weit wie möglich zu ergänzen.

Dann sollte man die Gleichung für die Größe, die extremal werden soll, aufstellen. Diese Gleichung nennt man die Hauptbedingung.

 

2. Einführen einer einzigen Variablen

In diesem Schritt sollte man die mehreren Variablen in der Hauptbedingung eliminieren.

Mit Hilfe der Skizze und dem Text werden Gleichungen für die verschiedenen Variablen der Hauptbedingungen gesucht, die alle von einer Variablen abhängig sind. Diese Gleichungen nennt man Nebenbedingungen.

 

3. Zielfunktion bestimmen

Die Nebenbedingungen in der Hauptbedingung einsetzen, damit man eine Funktion bekommt, die nur von einer Variablen abhängig ist. Diese Funktion nennt man die Zielfunktion.

In diesem Schritt ist es auch sinnvoll den Definitionsbereich von der Zielfunktion explizit aufzuschreiben.

 

4. Zielfunktion auf Extremstellen untersuchen.

 

5. Ergebnis für die ursprüngliche Frage formulieren. Beachte die Maßeinheiten!


B. Beispiel

Von einem rechteckigen, 10 cm langen und 5 cm breiten Stück Pappe werden an den Ecken Quadrate ausgeschnitten. Aus dem Rest soll eine oben offene Schachtel mit möglichst großem Rauminhalt hergestellt werden.

Wie sind Länge, Breite und Höhe der Schachtel zu wählen?

 

Lösungsschritte:


1. Der Rauminhalt R der Schachtel soll maximal sein.

R = l × b × h           (Hauptbedingung)

 

2. Nebenbedingungen aus der Skizze extrahieren:

l = 10 – 2x            b = 5 – 2x             h = x

 

3. Zielfunktion bestimmen:

Nebenbedingungen in der Hauptbedingung einsetzen:

R(x) = (10 – 2x) × (5 – 2x) × x          | Ausmultiplizieren und zusammenfassen

R(x) = 4x3 – 30x2 + 50x                    mit DR = ]0; 2,5[                          (Zielfunktion)

Bemerkung: Der Definitionsbereich hängt von der kleineren Seitenlänge des Rechtecks ab, nämlich 5 cm.

 

4. Zielfunktion auf Extremstellen untersuchen:

Ableitungen bilden:

R'(x) = 12x2 – 60x + 50

R''(x) = 24x – 60


Notwendige Bedingung (R'(x) = 0):

12x2 – 60x + 50 = 0           | : 12

x2 – 5x +  
50
12
= 0               | pq-Formel benutzen
x1
5
2
5
6
 3  ≈ 3,943; x1 ∉ DR
x2
5
2
5
6
 3  ≈ 1,0566


Hinreichende Bedingung (R''(x2) 0):

R''(1,0566) ≈ – 34,64  < 0              => Maximum!

 

Maximalwert bestimmen:

R(1,0566) = 4 × (1,0566)3 – 30 × (1,0566)2 + 50 × (1,0566) ≈ 24,0563

 

Verhalten an den Randstellen untersuchen:

R(0) = R(2,5) = 0
Da R(1,0566) > 0, ist dies ein globales Maximum auf dem Definitionsbereich.

 

5. Ergebnis:

Bei einer Länge von 7,8868 cm, Breite von 2,8868 cm und Höhe von 1,0566 cm hat die Schachtel den maximalen Rauminhalt. Dieser beträgt 24,0563 cm3.

  

C. Weitere Aufgaben

Ich hoffe, Sie haben diesen Artikel hilfreich gefunden!

Für weitere Übungen können Sie mein Aufgabenpaket kostenlos herunterladen. Es enthält unterschiedliche Fragestellungen zum Thema "Extremwertprobleme".

Außerdem können Sie alle Aufgabenpakete zum Thema Ableitung in unserem Store kostenlos herunterladen.

Verpassen Sie keine zukünftigen Beiträge, indem Sie uns folgen.

Ihre Fragen bzw. Kommentare sind immer willkommen!