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Extremwertaufgabe Drehkegel in Drehzylinder einschreiben

Aufgabe: Extremwertaufgabe Drehkegel in Drehzylinder einschreiben


Einem Drehkegel (r, h) soll ein Drehzylinder mit maximalem Volumen eingeschrieben werden.

Geben Sie den Radius des Drehzylinders an.

 

Lösung: Extremwertaufgabe Drehkegel in Drehzylinder einschreiben


1. Skizze:

Extremwertaufgabe Drehkegel in Drehzylinder einschreiben
H = Höhe Drehkegel    
 
R = Radius Drehkegel
 
r = Radius Drehzylinder  
 
H – h = Höhe Drehkegel – Höhe Drehzylinder
 
 
2. Hauptbedingung:
 
Volumen des Drehzylinders:
 
V  = r² * π * h
 
 
3. Nebenbedingung:
 
Anwendung des Strahlensatzes – siehe Skizze
 
R : H  = r : (H – h) 
 
R * (H – h) = H *  r
 
RH – Rh = Hr
 
 
Auflösen auf h:
 
RH – Hr = Rh  / : R
 
h = (RH – Hr)
             R
 
 
4. Berechnung der Extremwerte:
 
Wir ersetzen h durch die Äquivalenz von der Nebenbedingung:
 
V(r) = r² * π * (RH – Hr)
                            R
 
Wir heben H/R heraus:
 
V(r) = r² * π * H/R * (R – r)      
 
 
Die Konstante π * H/R kann weggelassen werden.
 
V(r) = r² * π * H/R * (R – r)      
 
V(r) = r² *  (R – r)
 
V(r) = r²R * – r³

 

5. Wir bilden die 1. Ableitung!
 
V(r) = r²R * – r³
 
V(r)‘ = 2rR * – 3r²
 
 
6. Wir berechnen r:
 
Wir setzen die 1. Ableitung gleich Null.
 
0 = r * (2R – 3r)
 
 
Wir spalten die rechte Seite in zwei Teile auf.
 
0 = r und 0 = 2R – 3r        
 
 
d.f.  r = 0  (keine Lösung)
 
0 = 2R – 3r     / + 3r
 
3r = 2R   / : 3 
 
r = 2R/3
 
r = 3,333..  d.f.  r = 3,33 cm
 
 
7. Wir berechnen h:
 
h = (RH – Hr) : R
 
h = H (R – r) : R
 
h = H/R * (R – r)    
 
 
Anmerkung: wir ersetzen r durch 2R/3
 
h = H/R * (R – 2R/3)    
 
 
Wir fassen die Klammer zusammen:
 
h = H/R * 1R/3      
 
 
Wir kürzen diagonal durch R! 
 
h = H *  R
         3
 
h = H/3
 
h = 2,333…  
 
d.f. h = 2,33 cm 
 
 
8. Berechnung des Volumens:
 
Wir quadrieren die Klammer: 
 
V = (2R/3)² * π * H/3
 
 
Wir multiplizieren:
 
V = 4R² * π * H
        9            3
 
V = 4R² * π * H 
             27
 
V = 81,448 …  d.f. 81,45 cm³
 
 
9. Nachweis des Extremums:
 
V(r)” = 2R – 6r  d.f. 0 = 2R – 6 * (2/3R)
 
0 = 2R – 4R  d.f. – 2R < 0  d.f. relatives Maximum