Benutzer:Florine WWU-6/Optimierungsprobleme: Testseite

Aufgabe

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So löst du Optimierungsprobleme

Schritt 1: Erfasse das Problem

1. Suche zunächst zur Größe, die optimiert, die passende Funktion. Überlege dir dazu genau:
   • Welche Größen kommen vor?
   • Welche Größe soll optimiert, also maximiert oder minimiert werden?

Du kannst ebenfalls eine Skizze zum Problem erstellen.

Schritt 2: Stelle einen funktionalen Zusammenhang her

1. Du musst nun das Optimierungsproblem als Funktion ausdrücken. Stelle dazu erst einmal die Formel für die Größe auf, die du optimieren möchtest. Das ist dann deine Hauptbedingung.
2. Betrachte jetzt deinen beiden Größen. Wie hängen sie zusammen? Stelle eine Formel mit beiden Größen auf. Diese ist deine Nebenbedingung.
3. Setze jetzt deine Nebenbedingung in die Hauptbedingung ein. So erhältst du eine Zielfunktion mit nur einer Größe.
4. Lege jetzt den Bereich für deine verbleibende Größe fest:
   • Wie groß darf sie maximal sein?
   • Wie klein darf sie maximal sein?

Schritt 3: Bestimme den Extremwert

Rechne nun deinen Extremwert aus. Dazu musst du nun wie folgt vorgehen:

1. Bilde die Ableitung der Zielfunktion.
2. Berechne den Extremwert über die notwendige und hinreichende Bedingung.
3. Überprüfe, ob dein Extremwert in deinem gewählten Bereich liegt.

Da es bei Optimierungsaufgaben um Anwendungssituationen geht, wird kein exakter Wert benötigt. Es reicht also ein guter Näherungswert.

Beispiel

Aufgabe:

Ein Sportplatz mit einer 400-m-Laufbahn soll so angelegt werden, dass das Fußballfeld möglichst groß ist. Die seitlichen Kurven des Sportplatzes sollen Halbkreise sein.

a) Für welche Länge und für weiche Breite wird das Fußballfeld im Inneren des Sportplatzes maximal?

b) Wie groß ist das Fussballfeld?

Schritt 1:

Gegeben ist die Länge der Laufbahn um den Sportplatz herum, also der Umfang des Sportplatzes. Maximiert werden soll die Größe des Fussballfeldes, also der rechteckige Flächeninhalt $A$ innerhalb des Sportplatzes.

Erstelle eine Skizze dazu:

Schritt 2:

Die Formel zum Flächeninhalt ist $A=2=a \cdot b$. Dies ist deine Hauptbedingung.\

Deine Nebenbedingung findest du im Umfang wieder: $U=2 \cdot a+\pi\cdot b$. Diese kannst du nach b umstellen und erhälst: $a=\frac{400-\pi \cdot b}{2}$

Setze nun deine Nebenbedingung in deine Hauptbedigung ein und erhalte die Zielfunktion:

$A(b)=\frac{400-\pi \cdot b}{2}\cdot b=\frac{-\pi \cdot b}{2}+200 \cdot b$.

Für diese Funktion kann b nur zwischen 0 und 200 liegen, also $0<b<200$

Schritt 3:

Berechne nun deinen Extremwert. Bilde dazu die Ableitungen:

1. $A'(b)= -\pi \cdot b + 200 \cdot b$
2. $A''(b) = - \pi$

Mit der notwendigen Bedingung $A'(b)=0$ erhälst du dann $b=\frac{200}{pi} = 63,66$. Mit der hinreichenden Bedindung folgt $A''(b)=-\pi \neq 0$, somit erfüllt $b$ alle Bedingungen

Berechne nun $a$ und den Flächeninhalt:

1. $a=\frac{400-\pi \cdot \frac{200}{pi}}{2} = 100$ und
2. $A = 100 \cdot 63,66 = 6366 m$

Der Flächeninhalt des Fussballfeldes kann also mit einer Breite von $63,66m$ und einer Höhe von $100m$ auf $6366 m$ maximiert werden.

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