Gegeben ist die nach unten geöffnete Parabel f ( x ) = 4 − x 2 f(x) = 4 - x^2 f ( x ) = 4 − x 2 . Ein achsenparalleles Rechteck wird so unter die Parabel einbeschrieben, dass die untere Seite auf der x x x -Achse liegt und die oberen Ecken den Graphen von f f f berühren.
(a) Stellen Sie die Zielfunktion A ( x ) A(x) A ( x ) für die Rechtecksfläche in Abhängigkeit von x > 0 x > 0 x > 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 ) ≥ 0 f(x) \geq 0 f ( x ) ≥ 0 ) wird dabei überdeckt? (4 BE)
Die oberen Ecken des Rechtecks liegen bei ( ± x ∣ f ( x ) ) (\pm x \mid f(x)) ( ± x ∣ f ( x )) mit x > 0 x > 0 x > 0 .
Breite: b = 2 x b = 2x b = 2 x
Höhe: h = f ( x ) = 4 − x 2 h = f(x) = 4 - x^2 h = f ( x ) = 4 − x 2
Zielfunktion:
A ( x ) = 2 x ⋅ ( 4 − x 2 ) = 8 x − 2 x 3 A(x) = 2x \cdot (4 - x^2) = 8x - 2x^3 A ( x ) = 2 x ⋅ ( 4 − x 2 ) = 8 x − 2 x 3
Definitionsbereich: 0 < x < 2 0 < x < 2 0 < x < 2 (damit f ( x ) > 0 f(x) > 0 f ( x ) > 0 ).
A ( x ) = 8 x − 2 x 3 , 0 < x < 2 \boxed{A(x) = 8x - 2x^3, \quad 0 < x < 2} A ( x ) = 8 x − 2 x 3 , 0 < x < 2
A ′ ( x ) = 8 − 6 x 2 A'(x) = 8 - 6x^2 A ′ ( x ) = 8 − 6 x 2
Notwendige Bedingung: A ′ ( x ) = 0 A'(x) = 0 A ′ ( x ) = 0 :
8 − 6 x 2 = 0 ⇒ x 2 = 4 3 ⇒ x = 2 3 = 2 3 3 8 - 6x^2 = 0 \quad \Rightarrow \quad x^2 = \frac{4}{3} \quad \Rightarrow \quad x = \frac{2}{\sqrt{3}} = \frac{2\sqrt{3}}{3} 8 − 6 x 2 = 0 ⇒ x 2 = 3 4 ⇒ x = 3 2 = 3 2 3
x = 2 3 3 ≈ 1,155 \boxed{x = \frac{2\sqrt{3}}{3} \approx 1{,}155} x = 3 2 3 ≈ 1 , 155
Breite:
b = 2 x = 4 3 3 ≈ 2,309 b = 2x = \frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}309 b = 2 x = 3 4 3 ≈ 2 , 309
Höhe:
h = 4 − 4 3 = 8 3 ≈ 2,667 h = 4 - \frac{4}{3} = \frac{8}{3} \approx 2{,}667 h = 4 − 3 4 = 3 8 ≈ 2 , 667
b = 4 3 3 ≈ 2,31 , h = 8 3 ≈ 2,67 \boxed{b = \frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}31, \quad h = \frac{8}{3} \approx 2{,}67} b = 3 4 3 ≈ 2 , 31 , h = 3 8 ≈ 2 , 67
A ′ ′ ( x ) = − 12 x A''(x) = -12x A ′′ ( x ) = − 12 x
A ′ ′ ( 2 3 3 ) = − 12 ⋅ 2 3 3 = − 8 3 < 0 A''\!\left(\frac{2\sqrt{3}}{3}\right) = -12 \cdot \frac{2\sqrt{3}}{3} = -8\sqrt{3} < 0 A ′′ ( 3 2 3 ) = − 12 ⋅ 3 2 3 = − 8 3 < 0
A ′ ′ < 0 ⇒ Maximum best a ¨ tigt. \boxed{A'' < 0 \quad \Rightarrow \quad \text{Maximum bestätigt.}} A ′′ < 0 ⇒ Maximum best a ¨ tigt.
Maximale Rechtecksfläche:
A max = 2 ⋅ 2 3 3 ⋅ 8 3 = 32 3 9 ≈ 6,158 A_{\max} = 2 \cdot \frac{2\sqrt{3}}{3} \cdot \frac{8}{3} = \frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}158 A m a x = 2 ⋅ 3 2 3 ⋅ 3 8 = 9 32 3 ≈ 6 , 158
Fläche unter der Parabel (für − 2 ≤ x ≤ 2 -2 \leq x \leq 2 − 2 ≤ x ≤ 2 ):
A Parabel = ∫ − 2 2 ( 4 − x 2 ) d x = [ 4 x − x 3 3 ] − 2 2 A_{\text{Parabel}} = \int_{-2}^{2} (4 - x^2)\,dx = \left[4x - \frac{x^3}{3}\right]_{-2}^{2} A Parabel = ∫ − 2 2 ( 4 − x 2 ) d x = [ 4 x − 3 x 3 ] − 2 2
= ( 8 − 8 3 ) − ( − 8 + 8 3 ) = 16 3 + 16 3 = 32 3 ≈ 10,667 = \left(8 - \frac{8}{3}\right) - \left(-8 + \frac{8}{3}\right) = \frac{16}{3} + \frac{16}{3} = \frac{32}{3} \approx 10{,}667 = ( 8 − 3 8 ) − ( − 8 + 3 8 ) = 3 16 + 3 16 = 3 32 ≈ 10 , 667
Flächenanteil:
A max A Parabel = 32 3 9 32 3 = 3 3 ≈ 0,577 = 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\,\% A Parabel A m a x = 3 32 9 32 3 = 3 3 ≈ 0 , 577 = 57 , 7 %
A max = 32 3 9 ≈ 6,16 FE , Anteil ≈ 57,7 % \boxed{A_{\max} = \frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}16\,\text{FE}, \quad \text{Anteil} \approx 57{,}7\,\%} A m a x = 9 32 3 ≈ 6 , 16 FE , Anteil ≈ 57 , 7 %
Größe Wert Optimales x x x 2 3 3 ≈ 1,155 \frac{2\sqrt{3}}{3} \approx 1{,}155 3 2 3 ≈ 1 , 155 Breite b b b 4 3 3 ≈ 2,31 \frac{4\sqrt{3}}{3} \approx 2{,}31 3 4 3 ≈ 2 , 31 Höhe h h h 8 3 ≈ 2,67 \frac{8}{3} \approx 2{,}67 3 8 ≈ 2 , 67 Maximale Fläche 32 3 9 ≈ 6,16 FE \frac{32\sqrt{3}}{9} \approx 6{,}16\,\text{FE} 9 32 3 ≈ 6 , 16 FE Anteil an Parabelfläche 3 3 ≈ 57,7 % \frac{\sqrt{3}}{3} \approx 57{,}7\,\% 3 3 ≈ 57 , 7 %