Extremwertaufgabe mit 2 Nebenbedingungen?

4 Antworten

1. Schritt: Zuerst eine zeichnung machen

1. Oberfläche O=2*b*l+2*l*h+2*b*h dies ist die "Hauptbedingung"

2. V=b*l*h ergibt h=V/(b*l) in 1. eingesetzt

O(b)=2*b*l+2*l*V/(l*b)+2*V/l abgeleitet

O´(b)=0=2*l-2*V/b^2 multipliziert mit b^2

O´(b)=0=2*l*b^2-2*V ergibt b=Wurzel(2*V/2*l)=Wurzel(V/l)

O´´(b)=0=4*l*b>0 also ein "Minimum"

Bedingung "Maximum" f´(x)=0 und f´´´(x)<0

        "          "Minimum" f´(x)=0   und f´´(x)>0

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – hab Maschinenbau an einer Fachhochschule studiert
Therealluxury66 
Fragesteller
 15.03.2017, 15:54

Danke für die Erklärung. Aber wie kommst du von O auf O' ? Ich kriege da was anderes raus. Mit Summenregel und Quotientenregel abgeleitet.

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fjf100  15.03.2017, 22:37
@Therealluxury66

b ist die Unabhängige variable setzen wir mal b=x

O(x)=a*x+c*1/x+k hier sind a,c und k Konstanten,wegen der Übersichtlichkeit

abgeleitet O´(x)=0=a - c*1/x^2

(a*x)´= a und c*(1/x)´= c *-1*1/x^2

sieh Mathe-Formelbuch "Diffarentationsregeln", "Quotientenregel"

(1/v)´= -1*v´/v^2

hier v=x^1 ergibt v´= 1 und v^2=x*x=x^2

also  (c*1/x)´= -1*c* 1/x^2

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Hallo,

V und l sind bekannt.

V=l*h*b

h=V/(l*b)

O=hl+hb+bl

Einsetzen von V/(l*b) für h:

O=Vl/(lb)+bV/(lb)+lb

Kürzen:

O=V/b+V/l+lb=f(b)

Um den Extremwert zu ermitteln, bildest Du f'(b) und setzt es auf Null:

f'(b)=l-V/b²=0

l=V/b²

b²=V/l

b ist daraus die Wurzel, also Wurzel aus (V/l)

Da die Wurzel aus V/l positiv ist und die zweite Ableitung
f''(b)=2V/b³ lautet, handelt es sich um ein Minimum, denn 2v/b³ ist positiv, wenn für b eine positive Zahl eingesetzt wird.

Herzliche Grüße,

Willy

Therealluxury66 
Fragesteller
 15.03.2017, 14:59

Ist O=2hl+2hb+2bl ?

Denn ist es ja ein Quader also ist jede Seite gespiegelt.

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Willy1729  15.03.2017, 15:04

Ich hatte einen Fehler gemacht:

O=2(hl+hb+bl); die Oberfläche besteht schließlich aus drei Paaren jeweils gleicher Flächen.

Entsprechend mußt Du weiterrechnen.

Sollte auch l unbekannt sein, mußt Du mit dem Lagrange-Multiplikator und partiellen Ableitungen rechnen.

Du führst eine Hilfsvariable Lambda ein und stellst ein Gleichungssystem auf, mit dessen Hilfe sich eine weitere Variable eliminieren läßt.

Nachdem h durch V, b und l ausgedrückt wurde, erhältst Du die Funktion f(b,l) und addierst dazu eine Funktion Phi, die der Nebenbedingung entspricht, und die mit Lambda multipliziert wird.

Dabei gilt: Phi(b,l)=0

Herzliche Grüße,

Willy

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Ich verstehe die Frage nicht.

die Oberfläche O ist eine Funktion von b, h und l

l ist bekannt
b ist ebenfalls bekannt ( da du V kennst) => b = V / ( l * h)

Es bleibt also übrig
O = 2 * ( l * h + l * V / (l * h) + V / (l * h) * h) )
Wenn du hier die bekannten Werte für V und L einsetzt ist nurmehr die Variable h übrig.

eine Funktion einer Variable...





Therealluxury66 
Fragesteller
 15.03.2017, 14:40

Die Werte für V und L sind nicht bekannt. Reine Variablen.

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Jackie251  15.03.2017, 14:46
@Therealluxury66

In deiner eigenen Frage steht:

"Die Länge l und das Volumen V sind bekannt."

das verleitete mich zur Annahme die seinen bekannt.
Alternativ wird damit wohl gemeint sein: gehen sie davon aus, dieser Größen wären bekannt.
Es handelt sich also um Konstanten, diese beeinflussen die Ableitung nicht.

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Hallo,

ich bin's noch mal.

Wenn die einzige bekannte Größe V ist, kannst Du die Aufgabe trotzdem berechnen.

Seien x,y und z Länge, Breite und Höhe der Schachtel.

Dann ist die Nebenbedingung:

xyz=V

Die Funktion der Oberfläche ist

f(x,y,z)=2xy+2xz+2yz

Gesucht ist das Minimum von f(x,y,z) unter der Bedingung V=xyz

Du führst die Hilfsvariable Lambda (λ) ein und machst aus der Nebenbedingung die implizite Funktion Φ(x,y,z):

V-xyz=0

Φ(x,y,z) wird mit Lambda multipliziert und zu f(x,y,z) addiert:

f(x,y,z,λ)=2xy+2xz+2yz+λ*(V-xyz)

Nun leitest Du partiell ab und bildest vier Gleichungen aus den Ableitungen, die auf Null gesetzt werden:

∂x/x=2y+2z-λyz=0 (I)
∂y/y=2x+2z-λxz=0 (II)
∂z/z=2x+2y-λxy=0 (III)
∂λ/λ=Φ(x,y,z)=V-xyz=0 (IV)

Gleichung I löst Du nach z auf:

2y+z*(2-λy)=0
z=-2y/(2-λy)

Gleichung III löst Du nach x auf:

2y+x*(2-λy)=0
x=-2y/(2-λy)

Daraus ergibt sich, daß x=z

Einsetzen von x für z in Gleichung IV:

V=x²y
y=V/x²

Einsetzen von x für z in Gleichung II:

2x+2x-λx²=0

4x-λx²=0

x*(4-λx)=0

Da x nicht Null werden darf, muß die Klammer Null werden:

λx=4
λ=4/x

Einsetzen von x für z, V/x² für y und 4/x für λ in Gleichung I:

2V/x²+2x-(4/x)*Vx/x²=0

2V/x²+2x-4V/x²=0

2x=2V/x²

x=V/x²

Da V/x²=y, ist x=y=z

Somit wird die Oberfläche minimal, wenn x=y=z und x=³√V

Herzliche Grüße,

Willy