Fortgeschritten Komplexaufgabe 12 Punkte ~25 Min. Mathematik & Logik

Rechteck maximaler Fläche unter einer Parabel

Aufgabenstellung

Gegeben ist die nach unten geöffnete Parabel f(x)=4x2f(x) = 4 - x^2. Ein achsenparalleles Rechteck wird so unter die Parabel einbeschrieben, dass die untere Seite auf der xx-Achse liegt und die oberen Ecken den Graphen von ff berühren.

  • (a) Stellen Sie die Zielfunktion A(x)A(x) für die Rechtecksfläche in Abhängigkeit von x>0x > 0 auf. (3 BE)
  • (b) Bestimmen Sie die Maße des Rechtecks mit maximaler Fläche. (5 BE)
  • (c) Weisen Sie nach, dass ein Maximum vorliegt, und berechnen Sie die maximale Fläche. Welcher Anteil der Fläche unter der Parabel (für f(x)0f(x) \geq 0) wird dabei überdeckt? (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Zielfunktion aufstellen (a)

Die oberen Ecken des Rechtecks liegen bei (±xf(x))(\pm x \mid f(x)) mit x>0x > 0.

Breite: b=2xb = 2x

Höhe: h=f(x)=4x2h = f(x) = 4 - x^2

Zielfunktion:

A(x)=2x(4x2)=8x2x3A(x) = 2x \cdot (4 - x^2) = 8x - 2x^3

Definitionsbereich: 0<x<20 < x < 2 (damit f(x)>0f(x) > 0).

A(x)=8x2x3,0<x<2\boxed{A(x) = 8x - 2x^3, \quad 0 < x < 2}

Schritt 2: Optimales xx bestimmen (b)

A(x)=86x2A'(x) = 8 - 6x^2

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

86x2=0x2=43x=23=2338 - 6x^2 = 0 \quad \Rightarrow \quad x^2 = \frac{4}{3} \quad \Rightarrow \quad x = \frac{2}{\sqrt{3}} = \frac{2\sqrt{3}}{3}

x=2331,155\boxed{x = \frac{2\sqrt{3}}{3} \approx 1{,}155}

Schritt 3: Maße des Rechtecks (b)

Breite:

b=2x=4332,309b = 2x = \frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}309

Höhe:

h=443=832,667h = 4 - \frac{4}{3} = \frac{8}{3} \approx 2{,}667

b=4332,31,h=832,67\boxed{b = \frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}31, \quad h = \frac{8}{3} \approx 2{,}67}

Schritt 4: Nachweis Maximum (c)

A(x)=12xA''(x) = -12x

A ⁣(233)=12233=83<0A''\!\left(\frac{2\sqrt{3}}{3}\right) = -12 \cdot \frac{2\sqrt{3}}{3} = -8\sqrt{3} < 0

A<0Maximum besta¨tigt.\boxed{A'' < 0 \quad \Rightarrow \quad \text{Maximum bestätigt.}}

Schritt 5: Maximale Fläche und Flächenanteil (c)

Maximale Rechtecksfläche:

Amax=223383=32396,158A_{\max} = 2 \cdot \frac{2\sqrt{3}}{3} \cdot \frac{8}{3} = \frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}158

Fläche unter der Parabel (für 2x2-2 \leq x \leq 2):

AParabel=22(4x2)dx=[4xx33]22A_{\text{Parabel}} = \int_{-2}^{2} (4 - x^2)\,dx = \left[4x - \frac{x^3}{3}\right]_{-2}^{2}

=(883)(8+83)=163+163=32310,667= \left(8 - \frac{8}{3}\right) - \left(-8 + \frac{8}{3}\right) = \frac{16}{3} + \frac{16}{3} = \frac{32}{3} \approx 10{,}667

Flächenanteil:

AmaxAParabel=3239323=330,577=57,7%\frac{A_{\max}}{A_{\text{Parabel}}} = \frac{\frac{32\sqrt{3}}{9}}{\frac{32}{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3} \approx 0{,}577 = 57{,}7\,\%

Amax=32396,16FE,Anteil57,7%\boxed{A_{\max} = \frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}16\,\text{FE}, \quad \text{Anteil} \approx 57{,}7\,\%}

Ergebnis

GrößeWert
Optimales xx2331,155\frac{2\sqrt{3}}{3} \approx 1{,}155
Breite bb4332,31\frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}31
Höhe hh832,67\frac{8}{3} \approx 2{,}67
Maximale Fläche32396,16FE\frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}16\,\text{FE}
Anteil an Parabelfläche3357,7%\frac{\sqrt{3}}{3} \approx 57{,}7\,\%

Schlagwörter

extremwertaufgabeoptimierungmaximumparabel