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Aus 80 cm Draht wird ein Kantenmodell einer geraden quadratischen Pyramide mit maximalem Volumen hergestellt. Wie lang sind die Grundkanten?

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Hallo döschwo,

Dein Frage ist zwar schon veraltet, aber mir fällt dazu noch was ein, was vielleicht hilfreich ist.

Ist \(a\) die Länge der Grundkante und \(h\) der Pyramide, so ist das Volumen bekanntermaßen$$V=\frac 13 a^2 h$$und die Länge \(s\) einer Seitenkante $$s = \sqrt{h^2+\frac 12 a^2}$$Daraus lässt sich die Nebenbedingung aufstellen (\(\sum\) Kanten \(=C\))$$4a+ 4\sqrt{h^2+\frac 12 a^2} = C$$wobei das \(C\) die \(80\,\text{cm}\) sein sollen. Die Idee ist nun, den Lagrange Multiplikator zu benutzen. Und damit die Wurzelei nicht zu nervig wird, forme ich die Nebenbedingung noch mal um$$\begin{aligned}4\sqrt{h^2+\frac 12 a^2} &= C -4a &&|\,^2\\ 16h^2+8a^2 &= C^2-8aC + 16a^2\\ 2h^2 - a^2 + aC - \frac18 C^2 &= 0\\ &=\text N(a,h)\end{aligned}$$Lagrange-Gleichung aufstellen und das Ableiten ist nun ziemlich problemlos$$\begin{aligned}L(a,h,\lambda) &= \frac 13 a^2 h + \lambda \cdot \text N(a,h) \\ L_a &= \frac 23ah + \lambda\left(-2a+C\right) \to 0\\ L_h &= \frac13a^2 + \lambda\left(4h\right) \to0 \end{aligned}$$nach der Elimination von \(\lambda\) bleibt$$\begin{aligned}\frac 23ah \cdot 4h &= \frac13a^2 \cdot (-2a+C)\\ 2h^2 &= \frac14a(-2a+C)\end{aligned}$$Und die \(2h^2\) setze man in die Nebenbedingung ein und erhält$$\begin{aligned} \frac a4\left(C-2a\right) - a^2 + aC - \frac 18C^2 &= 0 \\ \frac14 aC - \frac 12a^2 - a^2 +aC - \frac 18 C^2 &= 0 \\ -\frac 32a^2 + \frac 54 aC - \frac 18 C^2 &= 0\\ a^2 - \frac {5}{6} aC + \frac 1{12} C^2 &= 0 \\ a_{1,2} &= \frac{5}{12}C \pm \sqrt{ \frac{25}{12^2} - \frac{12}{12^2}}\,C \\ &= \frac C{12}\left( 5 \pm \sqrt {13}\right) \end{aligned}$$Der größere Wert für \(a\) ist keine Lösung, also bleibt$$a = \frac C{12} \left(5-\sqrt{13}\right) \approx 9,30\,\text{cm}$$

Danke, ich werde mich wieder hineindenken.

3 Antworten

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V = 1/3 * a^2 * h

Nebenbedingung(en):

80 = 4a + 4s

s = 20 - a

d = \( \sqrt{(a^2 + a^2)} \) = \( \sqrt{2a^2} \) = \( \sqrt{2} \) * a

h^2 = s^2 - ( \( \frac{d}{2} \) )^2

h^2 = (20 - a)^2 - ( \( \frac{a * \sqrt{2}}{2} \) )^2

h^2 = 400 - 40a + a^2 - 1/2a^2

h = \( \sqrt{1/2a^2 - 40a + 400} \)

Vmax(a) = 1/3 * a^2 * \( \sqrt{1/2a^2 - 40a + 400} \)

Jetzt einfach Maximum von dieser Funktion berechnen.

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....und da wirds dann "einfach" interessant

Wenns bei der Berechnung der Ableitung Schwierigkeiten gibt

=> https://www.ableitungsrechner.net

oder wo hackt es?

Das musst Du selber wissen, warum Du trotz "Ableitungsrechner" keine Lösung hinschreibst.

Du setzt also voraus, dass ich dir die komplette Lösung hinschreiben muss?

Ich glaube dann hast du den Sinn von diesem Forum noch nicht so ganz verstanden.

@döschwö, einfach Produktregel anwenden.$$\left[\frac{1}{3}a^2\cdot \sqrt{\frac{1}{2}a^2-40a+400}\right]'=\frac{2}{3}a\cdot \sqrt{\frac{1}{2}a^2-40a+400}+\frac{1}{3}a^2\cdot \frac{a-40}{2\sqrt{\frac{1}{2}a^2-40a+400}}$$ Außerdem ist \(\sqrt{x}=\frac{1}{2\sqrt{x}}\). Es ist immer das, was unter der Wurzel steht abgeleitet im Zähler und einfach das zweifache der Wurzel im Nenner. Z. B. ist die Ableitung für \(f(x)=\sqrt{x^3}\) gleich \(f'(x)=\frac{3x^2}{2\sqrt{x^3}}\)

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Du kannst auch V^2(a) maximieren, falls dich die Wurzel stört.

Gib V^2(a) in Wolframalpha oder einen GTR ein. Die Frage könnte im Prüfungsteil "mit Hilfsmitteln" stehen.

Kommentar zu Antwort gemacht, da vielleicht die Hilfsmittel nicht erforderlich sind. Vgl. ehem. Kommentar (nun Antwort) von georgborn. 

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Ich gehe von der Richtigkeit von
V(a) = 1/3 * a^2 * √ ( 1/2a^2 -40a + 400 )
aus..
V(a) = √ ( (1/9*a^4) * ( 1/2a^2 -40a + 400 ) )
√ term und term haben an  derselben Stelle
den Extremwert.

( √ term ) ` = ( term ´) / ( 2 * √ term )
Extremwert
( term ´) / ( 2 * √ term ) = 0  =>
term ´ = 0

Für die Lösung gilt
(1/9*a^4) * ( 1/2a^2 -40a + 400 )  = 0

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(1/9*a^4) * ( 1/2a^2 -40a + 400 )  = 0
Falls die Gleichungl richtig ist kommt
a = 11.72 heraus.
Richtig ?

Falls die Gleichungl richtig ist kommt a = 11.72 heraus.

Ja richtig - eine Lösung ist \(a=20(2-\sqrt 2) \approx 11,72\)

... \(a \approx 11,72\) hat aber mit der Aufgabe nichts zu tun.

Wäre eine Grundkante \(11,72\,\text{cm}\) lang, dann blieben für eine Seitenkante ja nur \(80/4-a= 8,28\,\text{cm}\) übrig. Und das ist weniger als - bzw. ziemlich genau nur - die halbe Diagonale der Grundfläche \(8,28 \lt 11,72 \cdot \frac 12 \sqrt 2 \approx 8,287  \). D.h. die so gestaltete Pyramide hätte das Volumen 0.

Dann werde ich mich auch nocheinmal
hineindenken.

Hallo Werner,
ich habe alles mit einem Matheprogramm
nochmals von Anfang an durchgerechnet
und komme auf
a = 9.3 cm

... und komme auf a = 9.3 cm

Ja prima - das deckt sich ja mit meinem Ergebnis (s. Kommentar unter der Frage)

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