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Aufgabe:

Bestimmen Sie die Extremwerte der Funktion f (x, y, z) = z unter den Nebenbedingungen x^2 + y^2 + z^2 − 4x + 6y + 8z = 0 und x + y + z = 0. Wie sieht die durch die Nebenbedingungen beschriebene Teilmenge des R^3 aus?


Problem/Ansatz:

Hallo! ich habe ein kleines Problem bei einer Aufgabenstellung. Und zwar hatte ich vor, die Aufgabenstellung mithilfe der LaGrange Methode zu machen. Sowohl in der Vorlesung als auch im Internet finde ich aber nur Beispiele, mit nur einer Nebenbedingung. Bei diesem Beispiel (mit 2 NB) schaffe ich es aber nicht das Gleichungssystem für die Extremstellen zu lösen.

Hat vielleicht jemand einen Tipp wie dies lösbar ist ohne dass es vielleicht übertrieben kompliziert wird?

Falls ja, danke schon mal :)

Weiter als bis hierhin komme ich leider noch nicht:

LaGrange:
\( \begin{array}{l} \mathcal{L}\left(x, y_{1} z_{1} \lambda_{1}, \lambda_{2}\right)=z+\lambda_{1}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}-4x+6 y+8 z\right) \\ +\lambda_{2}(x+y+z) \\ Partielle Ableitungen: \mathcal{L} x=2 x \lambda_{1}-4 \lambda_{1}+\lambda_{2}=0 \\ \mathcal{L} y=2 y \lambda_{1}+6 \lambda_{1}+\lambda_{2}=0 \\ \mathcal{L} z=2 z \lambda_{1}+8 \lambda_{1}+\lambda_{2}=0 \\ \mathcal{L} \lambda_{1}=x^{2}+y^{2}+z^{2}-4 x+6 y+8 z=0 \\ \mathcal{L} \lambda_{2}=x+y+z=0 \end{array} \)

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Aloha :)

Die Funktion:$$f(x;y;z)=z$$soll unter zwei konstanten Nebenbedingungen$$g_1(x;y;z)=x^2+y^2+z^2-4x+6y+8z=0$$$$g_2(x;y;z)=x+y+z=0$$optimiert werden.

Die Nebenbedingung \(g_1\) können wir umformen:$$g_1(x;y;z)=(x^2-4x)+(y^2+6y)+(z^2+8z)=0$$$$g_1(x;y;z)=(x^2-4x+4)+(y^2+6y+9)+(z^2+8z+16)-4-9-16=0$$$$g_1(x;y;z)=(x-2)^2+(y+3)^2+(z+4)^2=29$$Das ist die Oberfläche einer Kugel mit Mittelpunkt \(M(2|-3|-4)\) und Radius \(r=\sqrt{29}\).

Die Nebenbedingung \(g_2\) beschreibt eine Ebene mit dem Normalenvektor \(\vec n=(1|1|1)\), die durch den Koordinaten-Ursprung verläuft.

Gesucht sind also die minimale und die maximale \(z\)-Komponente der Schnittmenge der Kugeloberfläche und der Ebene. Nach Lagrange muss im Extremum der Gradient der zu optimierenden Funktion eine Linearkombination der Gradienten aller Nebenbedingungen sein. Hier haben wir zwei Nebenbedingungen:$$\operatorname{grad}f(x;y;z)=\lambda_1\cdot\operatorname{grad}g_1(x;y;z)+\lambda_2\cdot\operatorname{grad}g_2(x;y;z)$$$$\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}=\lambda_1\cdot\begin{pmatrix}2x-4\\2y+6\\2z+8\end{pmatrix}+\lambda_2\cdot\begin{pmatrix}1\\1\\1\end{pmatrix}$$Da die beiden Lagrange Multiplikatoren \(\lambda_1\) und \(\lambda_2\) nicht Null sein dürfen, müssen die 3 Vektoren linear abhängig sein. Das ist genau dann der Fall, wenn ihre Determinante verschwindet:$$0\stackrel!=\left|\begin{array}{c}0 & 2x-4 & 1\\0 & 2y+6 & 1\\1 & 2z+8 & 1\end{array}\right|=(2x-4)-(2y+6))=2x-2y-10\implies \underline{\underline{x=y+5}}$$

Das setzen wir in die Nebenbedingung \(g_2\) ein:$$0\stackrel!=(y+5)+y+z=2y+5+z\implies y=-\frac{z+5}{2}\implies x=-\frac{z-5}{2}$$Das setzen wir in die Nebenbedingung \(g_1\) ein:$$\left.\left(-\frac{z-5}{2}-2\right)^2+\left(-\frac{z+5}{2}+3\right)^2+(z+4)^2=29\quad\right|\cdot4$$$$\left.\left(-(z-5)-4\right)^2+\left(-(z+5)+6\right)^2+4(z+4)^2=116\quad\right|\text{vereinfachen}$$$$\left.2\left(z-1\right)^2+4(z+4)^2=116\quad\right|\text{Binome ausrechnen}$$$$\left.2(z^2-2z+1)+4(z^2+8z+16)=116\quad\right|\text{Zusammenfassen}$$$$\left.6z^2+28z+66=116\quad\right|-116$$$$\left.6z^2+28z-50=0\quad\right|\colon6$$$$\left.z^2+\frac{14}{3}\,z-\frac{25}{3}=0\quad\right|\text{pq-Formel}$$$$z_{1;2}=-\frac73\pm\sqrt{\frac{49}{9}+\frac{75}{9}}=-\frac73\pm\frac{\sqrt{124}}{3}\quad\implies\quad \boxed{z_{1;2}=\frac{\pm2\sqrt{31}-7}{3}}$$Damit haben wir beide Extremwerte für \(f\) gefunden.

Avatar von 152 k 🚀

Wow danke! Das hilft mir gerade sehr :D

Der wichtige Teil geht bis einschleßlich der Determinante. Sie liefert uns die Lagrange-Nebenbedingung \(x=y+5\).

Zusammen mit den beiden bereits bekannten Nebenbedingungen \(g_1\) und \(g_2\) haben wir dann 3 Gleichungen für 3 Unbekannte.

Der Rest ist nur das Lösen des Gleichungssystems.

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Hallo

Dx-Dy

Dx-Dz

Dy-Dz gibt 3 einfache Gleichungen für x,y,z

lul

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