Digitale Werkzeuge in der Schule/Basiswissen Analysis/Optimierungsprobleme: Unterschied zwischen den Versionen

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|Bei Optimierungsproblemen geht es stets darum, dass eine bestimmte Größe optimiert werden soll. So wird z. B. eine '''optimale''' Verpackung für Reis oder die '''optimale''' Anzahl an Zahnpasten gesucht, die in einen Karton passen - es geht also um eine Anwendungssituation. Das Ergebnis eines Optimierungsproblems ist daher auch meist kein exakter Wert sondern ein '''Näherungswert'''. Dieser muss natürlich sinnvoll gewählt sein.
|Bei Optimierungsproblemen geht es stets darum, dass eine bestimmte Größe optimiert werden soll. So wird z. B. eine '''optimale''' Verpackung für Reis oder die '''optimale''' Anzahl an Zahnpasten gesucht, die in einen Karton passen - es geht also um eine Anwendungssituation. Das Ergebnis eines Optimierungsproblems ist daher auch meist kein exakter Wert sondern ein '''Näherungswert'''. Dieser muss natürlich sinnvoll gewählt sein.


Zur Lösung eines Optimierungsproblems muss man zunächst die Aufgabe genau lesen und verstehen. Hierbei kann man sich die folgenden Fragen stellen: Worum geht es, welche Größen kommen vor und welche Größe soll nun '''optimiert''', also maximiert oder minimiert werden?
Zur Lösung eines Optimierungsproblems muss man zunächst die Aufgabe genau lesen und verstehen. Hierbei kann man sich die folgenden Fragen stellen: Worum geht es? Welche Größen kommen vor und wie hängen sie zusammen? Welche Größe soll nun '''optimiert''', also maximiert oder minimiert werden?


Der '''optimale''' Wert bedeutet mathematisch, den Extremwert einer Funktion zu bestimmen. Du musst also das Optimierungsproblem als Funktion ausdrücken und dabei die anderen Größen miteinbeziehen. Mit dieser Funktion kannst du dann den optimalen Wert bestimmen.
Der '''optimale''' Wert bedeutet mathematisch, den Extremwert einer Funktion zu bestimmen. Du musst also das Optimierungsproblem als Funktion ausdrücken und dabei die anderen Größen miteinbeziehen. Mit dieser Funktion kannst du dann den optimalen Wert bestimmen.
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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 <math> A </math> innerhalb des Sportplatzes.  
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 <math> A </math> innerhalb des Sportplatzes.  
Erstelle eine Skizze dazu.


[[Datei:Skizze .png|mini]]
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'''Schritt 2:'''
Die Formel zum Flächeninhalt ist <math>A=2=a \cdot b</math>. Über die Größen selbst weißt du ebenfalls etwas durch den Umfang: <math>U=2 \cdot a+\pi\cdot b</math>. Stelle die Formel für den Umfang nun nach <math> a </math> um und erhalte: <math>a=\frac{400-\pi \cdot b}{2}</math>


Die Formel zum Flächeninhalt ist <math>A=2=a \cdot b</math>. Dies ist deine Hauptbedingung.
Setze nun deine Formel für <math> a </math> in den Flächeninhalt ein. So erhälst du die folgende Zielfunktion:
 
Deine Nebenbedingung findest du im Umfang wieder: <math>U=2 \cdot a+\pi\cdot b</math>. Diese kannst du nach a umstellen und erhälst: <math>a=\frac{400-\pi \cdot b}{2}</math>
 
Setze nun deine Nebenbedingung in deine Hauptbedigung ein und erhalte die Zielfunktion:  
 
<math>A(b)=\frac{400-\pi \cdot b}{2} \cdot b=\frac{-\pi \cdot b^2}{2}+200 \cdot b</math>.


<math>A(b)=\frac{400-\pi \cdot b}{2} \cdot b=\frac{-\pi \cdot b^2}{2}+200 \cdot b</math>
Für diese Funktion kann b nur zwischen 0 und 200 liegen, also <math>0<b<200</math>
Für diese Funktion kann b nur zwischen 0 und 200 liegen, also <math>0<b<200</math>


'''Schritt 3:'''
Nun musst du den optimalen Wert berechnen. Gesucht ist hier das '''Maximum'''. Bilde dazu die Ableitungen:
 
Berechne nun deinen Extremwert. Bilde dazu die Ableitungen:


# <math>A'(b)= -\pi \cdot b + 200 \cdot b </math>  
# <math>A'(b)= -\pi \cdot b + 200 \cdot b </math>  

Version vom 29. April 2020, 19:24 Uhr

Allgemeine Hinweise

Info

In diesem Lernpfad sollst du dein Wissen zu Optimierungsproblemen testen, wiederholen und vertiefen können. Dafür erklären wir dir zunächst, was Optimierungsprobleme sind, und wiederholen wichtige Begriffe. Danach kannst du selbständig Aufgaben bearbeiten.

Zum Lösen der Aufgaben benötigst du nur Papier, Stift und Taschenrechner.

In den Augaben mit orangem Balken kannst du dein gelerntes Wissen testen und es wiederholen.

Mit Aufgaben, die einen blauen Balken haben, kannst du weiter üben und dein Wissen vertiefen.

Aufgaben mit grünem Balken sind Knobelaufgaben.

Aufgaben, die nur für den LK Mathematik sind, sind außerdem mit einem ⭐ gekennzeichnet.


Viel Erfolg!

Einführung: Optimierungsprobleme

Was sind Optimierungsprobleme?

Optimierungsprobleme , oder auch Extremwertprobleme, beschreiben eine Aufgabenform, bei der nach dem optimalen Wert einer Funktion gefragt wird. Dieser optimale Wert ist oftmals ein Extremwert, also ein Maximum oder ein Minimum.

Die Berechnung erfolgt dabei im Sachzusammenhang, es wird also beispielsweise nach dem minimalen Volumen einer Schachtel gefragt, die man mit einem Blatt Papier falten kann, oder nach dem maximalen Flächeninhalt eines Grundstücks, das man mit einer bestimmten Meterzahl an Zaunteilen einzäunen kann.

Die Funktion, deren Extremwert es zu bestimmen gilt, muss also noch ermittelt werden.

Vorgehen beim Lösen von Optimierungsproblemen

So löst du Optimierungsprobleme

Bei Optimierungsproblemen geht es stets darum, dass eine bestimmte Größe optimiert werden soll. So wird z. B. eine optimale Verpackung für Reis oder die optimale Anzahl an Zahnpasten gesucht, die in einen Karton passen - es geht also um eine Anwendungssituation. Das Ergebnis eines Optimierungsproblems ist daher auch meist kein exakter Wert sondern ein Näherungswert. Dieser muss natürlich sinnvoll gewählt sein.

Zur Lösung eines Optimierungsproblems muss man zunächst die Aufgabe genau lesen und verstehen. Hierbei kann man sich die folgenden Fragen stellen: Worum geht es? Welche Größen kommen vor und wie hängen sie zusammen? Welche Größe soll nun optimiert, also maximiert oder minimiert werden?

Der optimale Wert bedeutet mathematisch, den Extremwert einer Funktion zu bestimmen. Du musst also das Optimierungsproblem als Funktion ausdrücken und dabei die anderen Größen miteinbeziehen. Mit dieser Funktion kannst du dann den optimalen Wert bestimmen.


Beispiel: Aufgabe 1

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 innerhalb des Sportplatzes.

Skizze .png

Die Formel zum Flächeninhalt ist . Über die Größen selbst weißt du ebenfalls etwas durch den Umfang: . Stelle die Formel für den Umfang nun nach um und erhalte:

Setze nun deine Formel für in den Flächeninhalt ein. So erhälst du die folgende Zielfunktion:

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

Nun musst du den optimalen Wert berechnen. Gesucht ist hier das Maximum. Bilde dazu die Ableitungen:

Mit der notwendigen Bedingung erhälst du dann . Mit der hinreichenden Bedindung folgt , somit erfüllt alle Bedingungen.

Berechne nun und den Flächeninhalt:

  1. und

a) Der Flächeninhalt des Fussballfeldes wird für eine Breite von und eine Höhe von maximal.

b) Der Flächeninhalt wird auf maximiert.


Aufgabe 2

Eine Kartonfabrik stellt quaderförmige Pakete mit quadratischen Seitenflächen her. Damit die Pakete nicht zu unhandlich werden, sollen noch zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • Die Länge soll nicht größer als sein.
  • Länge plus Umfang der quadratischen Seitenflächen soll groß sein.

a) Ermittle die Abmessungen des Pakets mit dem größten Volumen.

b) Gebe das maximale Volumen an.


Aufgabe 3
Aus einem kreisförmigen Stück Papier mit dem Radius soll eine kegelförmige Tüte mit maximalem Volumen geformt werden. Dazu wird der Kreis längs eines Radius eingeschnitten und zu einer Tüte geformt.
Gerader Kreiskegel.svg
Beachte, dass der Radius des Stücks Papier der Mantellinie des Kegels entspricht.
Das Volumen eines Kegels errechnet man mit der Formel .
Überlege dir, wie du die Länge s ermitteln könntest. Denke dabei an den Satz des Pythagoras

Globales Extremum und Randextremum

Merke

Der größte Funktionswert unter allen Funktionswerten in der Definitionsmenge heißt globales Maximum. Der kleinste Funktionswert unter allen Funktionswerten in der Definitionsmenge heißt globales Minimum.

Ein globales Extremum an einer Randstelle der Definitionsmenge heißt Randextremum.
Übung



Aufgabe 4

Gegeben ist der Graph einer Funktion mit im Intervall . Ein achsenparalleles Rechteck wird so gelegt, dass ein Eckpunkt der Koordinatenursprung ist und der gegenüberliegende Eckpunkt auf dem Graphen von f liegt.

Welches der möglichen Rechtecke hat den größten Flächeninhalt?
Aufgabe Ranextrema beachten.png


Optimierungsprobleme & Funktionenscharen

Berechnung von Extremwerten im Fall einer Funktionenschar

In bestimmten Fällen kann es vorkommen, dass die erhaltene Funktion nicht nur von einer Variable x abhängt, sondern außerdem von einem Parameter a.

In diesem Fall ändert sich die Vorgehensweise bei der Berechnung des Extremwertes zwar nicht, allerdings ist das erhaltene Ergebnis dann abhängig von a.


Aufgabe 5

Gegeben ist die Funktionenschar .

Für welchen Wert von liegt der Tiefpunkt der Funktionenschar am höchsten?


Die zu optimierende Größe ist der Funktionswert am Tiefpunkt der Funktion.

Berechne also zunächst den Tiefpunkt der Funktion in Abhängigkeit von t.

Ableiten der Funktion ergibt:


Für ein Minimum muss gelten: und .


Minimum

Setze nun in ein, um den Funktionswert am Minimum zu bestimmen:


Bezeichnen wir den Funktionswert am Tiefpunkt mit einer neuen Gleichung , so ergibt sich also:

.
Gesucht ist das , für das der Funktionswert maximal ist, also das Maximum der Funktion .
Prüfe die hinreichende Bedingung: und .


Die zu optimierende Größe ist der Funktionswert am Tiefpunkt der Funktion.

Berechne also zunächst den Tiefpunkt der Funktion in Abhängigkeit von t:

Ableiten der Funktion ergibt:


Für ein Minimum muss gelten: und .


Minimum

Setze nun in ein, um den Funktionswert am Minimum zu bestimmen:


Bezeichnen wir den Funktionswert am Tiefpunkt mit einer neuen Gleichung , so ergibt sich also:

.


Gesucht ist das , für das der Funktionswert maximal ist, also das Maximum der Funktion .

Bilde zunächst wieder die Ableitungen und :

Bei einem Maximum muss gelten: und .


Maximum

Der Funktionswert des Tiefpunktes ist also für maximal.