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Aufgabe:

Ein Tunnel soll die Form eines Rechtecks mit aufgesetztem Halbkreis erhalten. Wie groß ist die Querschnittsfläche maximal, wenn der Umfang des Tunnels 20m betragen soll?

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Wir haben gerade erst mit dem Thema angefangen und mit nur Rechtecken komme ich klar, aber bei dieser Aufgabe habe ich keine Ahnung wie ich vorgehen soll. Ich hoffe auf Tipps und gut verständliche Erklärungen.

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Vom Duplikat:

Titel: Extremalproblem ( Tunnel, Querschnitt, Kreis / Rechteck, kein Boden, 20 m Umfang )

Stichworte: rechteck,halbkreis,querschnitt,umfang,extremalwertaufgabe

Ein Tunnel soll die Form eines Rechtecks mit aufgesetztem Halbkreis erhalten. Wie groß ist die Querschnittsfläche maximal, wenn der Umfang des Tunnels 20m betragen soll und der Tunnel keinen Boden hat. ( Also hier wird der Boden in dem Fall nicht miteinbezogen )

Du hast ja schon einige Extremwertprobleme eingestellt, deswegen weisst du bestimmt schon, dass du eine Haupt- und eine Nebenbedingung brauchst. Versuche doch, diese mal aufzustellen! Und dann schauen wir, ob sie richtig sind.

hauptbedingung: A = h*2r + πr^2 / 2
nebenbedingung: 20 - π *  r / 2 = h
zielfunktion: A(r) = 20r -1/2π * 1/2r^2
???
wie muss ich fortfahren ?
werde jetzt schlafen gehen und morgen früh vor der schule dann nochmal vorbei schauen und sehen was ich aus den gegebenen ansätzen noch machen kann ! :) am besten wäre es also wenn du mir ein paar denkanstöße + die lösung gibst damit ich dann auch weiß ob ich alles richtig gemacht habe.
Danke für die Hilfe und Gute Nacht !

3 Antworten

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Du bist ja sportlich unterwegs. Du scheinst davon auszugehen, dass alle die ganze Nacht arbeiten, damit du morgens deine Hausaufgaben hast. Vielleicht solltest du deine Aufgaben demnächst etwas früher einstellen, als um Mitternacht.

Dein Ansatz ist nicht ganz richtig.

hauptbedingung: A = h*2r + πr2 / 2     das stimmt

nebenbedingung: 20 - π *  r / 2 = h      das stimmt nicht

Vielmehr ist U = 2h + π r = 20   daraus ergibt sich

h = 10 - π r/2

Daraus ergibt sich die Zielfunktion: A = 2r (10 - π r/2) + π r^2/2

Diese musst du ausmultiplizieren und dann die Ableitung bilden und diese Nullsetzen.

Dabei kommt als Lösung heraus: r = 20/π und h = 0

Das heißt der Kanal hat wenn er den Umfang von 20m optimal ausnutzen will nur den Halbkreis als Fläche und keinen rechteckigen Anteil.

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Hallo koffi,

nebenbedingung: 20 - π *  r / 2 = h     das stimmt nicht
Vielmehr ist U = 2h + π r = 20

das stimmt auch nicht. \(U = 2h + \pi r \colorbox{#ffff88}{ + 2r}\). Du hast den Boden des Tunnels vergessen. IMHO gehört dieser auch zum Umfang, auch wenn er in der Skizze weniger dick ausgeführt ist.

Gruß Werner

@Werner: Koffi hatte 2015 auf die vollständige (?) Version des Textes geantwortet. (?)

Titel: Extremalproblem ( Tunnel, Querschnitt, Kreis / Rechteck, kein Boden, 20 m Umfang )

Stichworte: rechteck,halbkreis,querschnitt,umfang,extremalwertaufgabe

Ein Tunnel soll die Form eines Rechtecks mit aufgesetztem Halbkreis erhalten. Wie groß ist die Querschnittsfläche maximal, wenn der Umfang des Tunnels 20m betragen soll und der Tunnel keinen Boden hat. ( Also hier wird der Boden in dem Fall nicht miteinbezogen )

Warte mal auf die Reaktion des Fragestellers iliento von 2018.

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Wie groß ist die Querschnittsfläche maximal, wenn der Umfang des Tunnels 20m betragen soll

Ich gehe hier davon aus, das der Boden mit zum Umfang zählt. Bei der alten Aufgabe von 2015 wurde der Boden extra ausgenommen. Wenn das der Fall sein sollte ist die Rechnung von koffi123 zu nehmen.

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Nebenbedingung aufstellen und auflösen nach h

U = pi·r + 2·h + 2·r = 20 --> h = (20 - r·(pi + 2))/2

Hauptbedingung aufstellen, h einsetzen, ableiten und gleich null setzen. Daraus die Variable ermitteln.

A = 1/2·pi·r^2 + 2·r·h

A = 1/2·pi·r^2 + 2·r·(20 - r·(pi + 2))/2

A = 20·r - (pi + 4)/2·r^2

A' = 20 - r·(pi + 4) = 0 --> r = 20/(pi + 4) = 2.800 m

Einsetzen in h

h = (20 - 20/(pi + 4)·(pi + 2))/2 = 20/(pi + 4) = r

Jetzt noch die Querschnittsfläche bestimmen

A = 20·20/(pi + 4) - (pi + 4)/2·(20/(pi + 4))^2 = 200/(pi + 4) = 28.00 m²

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   Ich lernte sie im Internet kennen; Aktion Akiba.  Heute trage ich sie zum 4 711. Male vor.

    Du solltest möglichst früh anfangen mit der Metode nach Giuseppe Lodovico Miraculix Pomodoro Lagrangia Conte da Torino.  Immerhin wird Ordnung benotet;  und Lagrange ermöglicht dir ein übersichtliches Bild.    Die Hauptbedingung; Querschnittsfläche


    F  (  x  ;  y    ;  r  )  :=  x  y  +  ( Pi / 2 )  r  ²  =  max     (  1a  )


    die Nebenbedingung an den Umfang


     U    (  x  ;  y    ;  r  )  :=  x  +  2  y  +  Pi  r  =  const     (  1b  )


   Vielleicht wirst du jetzt einwenden,  r ist doch nicht unabhängig.  Es gilt der Zusammenhang  x = 2 r .  Du kannst ja mal bissele experimentieren, was dann passiert;  dann schleppst du dich in den Rechnungen völlig unnötig mit dem Faktor Pi.   D.h. ich lasse selbst " Pilze "  zum Wettbewerb zu;  drei Variable mit nur einer Nebenbedingung sollten für Lagrange kein Problem darstellen.

  Schritt  1 war demnach die Übertrtagung  des Problems in Funktionen; Schritt 2 ist mehr formaler Natur.  Den Lagrangeparameter von ( 1b ) nenne ich k;   wir bilden die Linearkombination


  H  (  x  ;  y    ;  r  )  :=  F  (  x  ;  y    ;  r  )  +  k  U    (  x  ;  y    ;  r  )     (  2a  )


   Notwendige Bedingung für Maximum:  Der Gradient von H verschwindet.


   H_x  =  y  +  k  =   0      (  2b  )

   H_y  =  x  +  2  k  =  0     (  2c  )


   Elimination von dem Dummy k, der uns überhaupt nicht intressiert  aus ( 2b;c ) führt auf x  =  2  y  .  Bei Lagrange erhalten wir die Antwort ja immer in Form eines allgemeinen Gesetzes, hier einer Proportion.

   Was ist jetzt mit r los?


    H_r  =  Pi  (  r  +  k  )  =  0      (  3  )


   Ein Vergleich mit ( 2c ) lehrt, dass der Algoritmus die natürliche Bedingung x = 2 r von Selber einstellt.

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Hallo habakuktibatong,

das ist eine sehr interessante Idee, den Zusammenhang \(x=2r\) im Ansatz gar nicht zu berücksichtigen! Dafür ein Däumchen von mir.

Und hast Du die Lagrange-Methode wirklich erst im I-Net gelernt?

Gruß Werner

   Vielleicht darf ich hier ja mal eine Ausnahme riskieren.  Der Name des Portals  "  Ly cos "  darf hier bei Strafe der Deaktivierung nicht erwähnt werden, weil es sich da ( angeblich ) um Schleichwerbung handele.  Obgleich Ly cos bereits letzte Woche verschrottet wurde ...

   Aber viele User bei denen waren schon großartige Jungs.  Als ich selbst noch in Kl. 12 war, brachte mir mein Daddy mal einen antiken Spezialschmöker mit aus dem Jahre 17xx .  Der nicht gänzlich unbekannte Herzog von Wolfenbüttel hatte seiner Zeit nämlich den Ehrgeiz entwickelt, seinen Sohn ( durch einen Hauslehrer versteht sich )  in der damals modernsten Analysis unterweisen zu lassen;   so stand es in der Widmung zu lesen.  Auf 300 S. wurden nach Kapiteln geordnet Extremalaufgaben präsentiert  aus  Geometrie, Geodäsie und Zahlenteorie.  Ich könnt mir noch heute in den Aaasch beißen, dass ich  mir den Titel nicht aufgeschrieben hatte.      Später hatte ich ja Geld und konnte mir Bücher kaufen, so viel ich wollte.

    Mehr als einmal  gelang es mir, bei Mathelehrer     " Streusel  "  im Stegreifreferat  die Rolle von Superman / Zampano einzunehmen.  Folgende Aufgabe aus Wolfenbüttel;  der Streusel kannte sie selbst redend nicht,  weil er nie in Wolfenbüttel gewesen war:

      "   Gegeben eine Zahl r  €  |R  ;  r > 0 .  r  ist zu teilen in n Teile ; und diese Teile  sind alle miteinander zu multiplizieren.  Wie groß müssen diese Teile ausfallen,  dass ihr Produkt maximal wird? "  Antwort:  Gleich e .

    Streusel erwies sich als völlig hilflos; der schwitzte erst mal und hoffte inständig, dass ich mich verrechne. Dann biss er sich an der Aussage fest n  €  |N  ,  bääh bääh  bääh;   damit sei der Einsatz der Differenzialrechnung verboten ...

       Von einem Mathelehrer,   zu dessen Fach ja Statistik, große Zahlen und quasi-kontinuierliche Verteilungen gehören, hätte ich mehr Schneid erwartet.  Du musst dir nur sagen  r ist eine große  Zahl, sagen wir r  = (E40)    Allein in dem Intervall ( (E39) , (E40) )  findest du genügend viele n,    dass die Teile der Zahl  r   hinreichend dicht an die Zahl e heran kommen.

    Auch unternahm Streusel nicht den mindesten Versuch, diese Funktion zu plotten.  Meine Idee:  Du nimmst halblogaritmisches Papier.

   Auf der Abszisse trägst du n ab;  aber  2 soll jetzt in Wirklichkeit 100 bedeuten;  10  =  10 Mrd. und 40  =  (E40)  Auf der Ordinate verfährst du entsprechend,  so dass die vierte Dekade steht für (E 10 000 ) 

   Nein; meine Bemerkung bezog sich nicht auf Lagrange.    In so Foren wie Ly cos ( und auch hier ) gewinnst du wirklich den Eindruck von der ewigen Wiederkehr des Gleichen.   Es gebe nur sieben Extremwertaufgaben -  es wiederholt sich.   Den Tunnel lernte ich in Ly cos kennen als Ly cosianer der ersten Stunde im Jahre 2005 ...

   Mein Verhältnis zu Lagrange ist doch bissele anders.  Unserem Institutsdirektor; dem Ekel ===>  Walter Greiner, war ich nicht direkt zugeordnet.  Dieser hatte mal in einem Seminar in meinem Beisein verkündet,  jeder seiner Mitarebeiter,  den er dabei erwische, dass er Kontakt mit mir sucht, gefährde seine Karriere ...

   Nun ja;  das Institut war verziert mit dem Graffito

   " Erlöst das Institut für teoretische Physik; scheucht Greiner. "

   Immer wenn Greiner wieder mal eine Gebäudereinigung verfügt hatte,   prangte der Spruch am nächsten Tag garantiert wieder da ...

   Wir hatten auch einen Seminarraum namens  "  Hilbertraum  "   Greiner war ja der Verschönerer vom Dienst;  er ordnete an,  zu unserer Aufheiterung sei in besagtem Hilbertraum ein Gummibaum aufzustellen.

    Ein Protestant  sägte den Baum ab und legte Baum und Säge fein säuberlich nebeneinander auf das Pult ...

   Zu  einer seiner Damen, Frau Knolle, soll er gesagt haben

   "  Sie bleiben uns doch auch nach der Rente noch erhallten? "

   "  Kaaan  Daaaach länger. "

   "  Der Unterschied zwischen Ihnen und mir.  In 400 Jahren bin ich genau so tot wie   Sie; aber ich bin dann immer noch berühmt ... "

   Da gab es ein   "  NN " ;  eine Professur in der teoretischen Kernphysik war lange vakant.  Selbst redend besetzte Greiner sie mit einem Herrn ( aus Maryland, meinem späteren Doktorvater )  den er für Dümmer und Unerfahren hielt - wer setzt sich schon gerne eine Laus in den Pelz?  Zeit Lebens blieb mein Doktorvater  von Greiners Almosen abhängig  ...

   Neues Spiel; neues Glück.  Ich  machte bei dem Herrn meinen Antrittsbesuch.

   "  Ich habe Vordiplom und bewerbe mich bei Ihnen als Hiwi  für die Mechanikvorlesung, die Sie demnächst  halten werden. "

   "  Sie müssen geisteskrank  sein;   so einen Quatsch hab ich noch nie gehört.  Eine Anstellung mit nix als Vordiplom - im Übrigen wurden mir meine sämtlichen Asssistenten längst zugewiesen. "

   " Die Matematiker sind mein großes Vorbild;  die haben soch alle auch nix als Vordiplom. "

   " Schauen Sie.  Es gibt die abgedrehtesten Erlasse.  Selbst wenn Sie mir einen Anwalt schicken, der mir nachweist, dass es diesen Erlass tatsächlich gibt,  müssen Sie doch zugeben, dass ich nicht verpflichtet bin, Sie einzustellen ... "

   Auf der Buchmesse sahen wir uns wieder.

  "  Herr T;  was ich heute  in der Vorlesung sehen  musste, war eine endliche, aber nicht abzählbare Menge von Hörern.  Sie sind eingestellt mit sofortiger Wirkung;  wir sind ja so froh, dass Sie und Herr Bauer sich freiwillig  gemeldet haben.   Was uns fehlt, ist der dritte Mann. "

    Also  wenn ich über eine Eigenschaft verfüge, dann Leute zu begeistern und mitzureißen.  Meine 15 Mann musste ich enttäuschen;  mit dem 2. Semester  sei mein Rausschmiss geplant.  Ironisch hatte mir der Prof in Aussicht gestellt,  solle sich meine Gruppe es allerdings anders überlegen und ein Go-in  bei ihm veranstalten, ja dann habe er ein Argument gegenüber der Hochschulverwaltung ...

    Es war ein erhebender Augenblick;  zufällig sah ich die ganzen Jungs aus dem Amtszimmer wieder rauskommen ...

    Ja und im 2. Semester waren dann  in der Vorlesung Zwangskräfte dran;  wenn ein Massenpunkt auf einer Kurve gleitet, induziert er eine Kraft in Richtung der Hauptnormalen, die der  Kurvengleichung entspricht.

   Oberassistentin war " Conny  "  , die sich wer weiß was dünkte; die blökte immer so

   "     Sie haben heute Morgen unbefugt lösungszettel entwendet ... "

   Als sie sie nur mal ein Semester nach Südafrika schickten, stand sie unter Schock;  sie wagte nicht mehr Piep zu sagen. Auch während des Seminars nicht ...

   Aber zurück zu den Zwangskräften.  Ich  für mein Teil hatte etwas andreas vor.

   " Wenn es mir gelingt, plausibel zu machen,  dass Zwangskräfte im Wesentlichen das Selbe sind wie  der Algoritmus von Lagrange,  dann würde mich das in den Stand setzen,   mit meiner Gruppe stink normale Minimaxaufgaben aus dem Curriculum der Schule zu rechnen. "

   Aber wie?   Den gängigen Beweis aus den Terxtbüchern kannse voll in die Feif rauche ...

   Ich hatte noch 15 h Zeit.  Aber abends beim einschlafen kamen mir schon immer die besten Ideen.

   Kürze mal den Vektor ab

   x  :=  (  x1  |  x2  ....    |  x_n  )        (  2.1a  )


     Dann habben wir Nebenbedingungen


    G1  (  x  )  =  c1 ;  G2  (  x  )  =  c2  ,  ...  G_k  (  x  )  =  c_k        (  2.1b  )


    Der von den grad ( G )  aufgespannte Raum möge  U  heißen.      Frage:  In welchem Raum liegt ein zulässiger Vektor ds  ,  der die Forderungen  ( 2.1b  )  befriedigt?


     <  grad  (  G_i  )  |  ds  >  =  0     (  2.2  )


   D.h. zulässige Verrückungen liegen in (U)T  , " T  " wie " Transversal  "  ,  dem zu  U  total senkrechten Raum.

   Jetzt war   aber gefordert


        F  =  extr     im Falle  ( 2.1b  )


    Das heißt aber doch: Notwendige Bedingung  für zulässige verrückungen ds ist


      <  grad  (  F  )  |  ds  >  =  0     (  2.2a  )


    Wenn aber ds in (U)T  liegt, dann offenbar


     grad  (  F  )  €  ((U)T)T  =  U     (  2.2b  )


    und damit ist grad ( f ) darstellbar als Linearkombination der  grad ( G )


          grad  (  F  )  =  k_i  Grad  (  G_i  )      (  2.2c  )


      wobei die Einsteinsche Indexkonvention voraus gesetzt wird.

   Die Veranstaltung war schon zu Ende . Da kam "  Gaby " vor zu mir

   " Mensch was willst  denn DUUU  jetzt noch von mir? "

   " Ich  habe dein Referat über den Lagrange mitgeschrieben. "

   " Sehr brav ... "

   "  Ich wollte dich fragen, ob  ich dieses Referat nächste Woche nochmal halten darf. "

   "  Schön; nix dagegen ... "

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