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Extremwertaufgaben berechnen Übung 1

Aufgabe: Extremwertaufgaben berechnen Übung 1:


Einer Kugel mit dem Radius r = 10 cm soll ein Drehkegel mit dem größtmöglichen Volumen eingeschrieben werden.  
 
 

Lösungen: Extremwertaufgaben berechnen Übung 1:


1. Skizze:

 
x = Radius des Drehkegels   y = Höhe des Drehkegels
 
Extremwertaufgaben berechnen Übung 1
 
2. Hauptbedingung:  
 
Die Hauptbedingung ist das Volumen des Drehkegels.
 
V = x² * π * y * 1/3
 
 
3. Nebenbedingung:
 
Die Nebenbedingung wird dem Höhensatz entnommen. 
 
Höhensatz:  
 
h² = p * q
 
x² = y * (2r – y)
 
 
4. Berechnung der Extremwerte:
 
Wir ersetzen in der Hauptbedingung x² durch die Nebenbedingung
 
V (y) = y * (2r – y) * π * y : 3  
 
Der konstante Faktor π : 3  kann weggelassen werden.
 
V (y) = y * (2r – y)  * y 
 
Wir fassen die y außerhalb der Klammer zusammen:
 
V  (y) = y² * (2r – y)
 
Wir multiplizieren:
 
V (y) = 2ry² – y³
 
 
5. Wir bilden die 1. Ableitung!
 
V (y) = 2ry² – y³
 
V’ (y) = 4ry – 3y²

 

6. Berechnung von y:
 
Wir setzen die 1. Ableitung gleich 0.  
 
0 = 4ry – 3y²
 
Wir spalten auf, indem wir y herausheben:
 
0 = y * (4r – 3y)      
 
 
y = 0  ist keine Lösung
 
 
0 = 4r – 3y
 
3y = 4r     /  : 3
 
y = 4r/3
 
y = 13,333..
 
y = 13,33 LE
 
 
7. Berechnung von x:
 
Wir übernehmen x² von der Nebenbedingung:
 
x² = y * (2r – y)
 
Wir ersetzen y jeweils mit 4r/3
 
x² = 4r/3 * (2r – 4r/3)
 
Wir bilden den gemeinsamen Nenner in der Klammer
 
x² = 4r/3 * (2r * 34r)
                  1 *  3    3
 
x² = 4r/3 * (6r/3 – 4r/3)
 
Wir multiplizieren:
 
x² = 4r/3 * 2r/3
 
x² = 8r²/9    
 
Wir ziehen die Quadratwurzel:
 
x² = 8r²    / √
        9 
 
Im Zähler teilweises Wurzelziehen bei 8 
 
√8 = √4 * √2   d.f. 2 * √2 
 
Sonst normales Wurzelziehen:
 
√x² = x und √r² = r 
 
Wir fassen zusammen:
 
x = 2r * √2
          3
 
Wir berechnen x  
 
x = 9,428…
 
x = 9,43 cm
 
 
8. Berechnung des Volumens:
 
Wir übernehmen die Formel für das Volumen von der Hauptbedingung. 
 
Wir ersetzen x durch 8r²/9 und y durch 4r/3
 
V = 8r²/9 * π * 4r/3 * 1/3
 
Wir multiplizieren und erhalten: 
 
V = 32r³ * π 
            81
 
V = 1241,123..
 
V = 1241,12 cm³
 
Das Volumen beträgt 1241,12 cm³.