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Extremwertaufgabe quadratisches Prisma

Aufgabe: Extremwertaufgabe quadratisches Prisma


Bestimme die Seitenlängen jenes quadratisches Prisma, das bei gegebener Kantenlängensumme l = 144 cm, den geringsten Materialverbrauch aufweist.
 
Extremwertaufgabe quadratisches Prisma
 

Lösung: Extremwertaufgabe quadratisches Prisma


1. Hauptbedingung:
 
Die Hauptbedingung ist die Oberflächenformel für ein Prisma mit quadratischer Grundfläche. 
 
O = 2a² + 4ah 
 
 
2. Nebenbedingung:
 
Die Nebenbedingung ist die Kantenlängensumme des Prismas.
 
Diese setzt sich zusammen aus 8 mal Kantenlänge a (Grund- und Deckfläche), sowie 3 mal Kantenlängen h (Mantelfläche). 
 
8a + 4 h = 144  
 
Wir vereinfachen, indem wir durch 4 kürzen:
 
8a + 4 h = 144  / : 4
 
2a + h = 36
 
Wir isolieren die Höhe h:
 
2a + h = 36    / – 2a
 
h = 36 – 2a
 
 
3. Berechnung der Extremwerte:
 
Wir setzen in die Hauptbedingung die Nebenbedingung = h ein.
 
O (a) = 2a² + 4a * (36 – 2a)
 
Wir multiplizieren:
 
O (a) = 2a² + 144a – 8a²
 
Wir vereinfachen:
 
O (a) = – 6a² + 144a
 
 
4. Wir bilden die 1. Ableitung!
 
O (a) = – 6a² + 144a
 
O’ (a) = – 12a + 144
 
 
5. Wir berechnen a:
 
Wir setzen die 1. Ableitung gleich 0. 
 
0 = – 12a + 144  
 
Wir isolieren a:
 
 – 12a + 144    / + 12a
 
12a = 144      / : 12
 
a = 12 cm
 
 
6. Wir berechnen h:
 
Die Formel für h entnehmen wir der Nebenbedingung. 
 
h = 36 – 2a
 
Wir ersetzen a mit 12 
 
h = 36 – 2 * 12
 
h = 36 – 24
 
h = 12 cm
 
A: Die Seite a beträgt 12 cm und die Höhe beträgt ebenfalls 12 cm.
 
 
7. Wir berechnen die Oberfläche:
 
Wir entnehmen die Formel der Hauptbedingung: 
 
O = 2a² + 4ah
 
Wir ersetzen a und h jeweils mit 12:
 
O = 2 * 12² + 4 * 12 * 12
 
O = 868 cm²
 
A: Der Materialverbrauch beträgt 868 cm².