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- Vergleiche nur die vier dargestellten Messpunkte miteinander. - Eine Verbindung zwischen den Punkten ist nicht gegeben und darf nicht angenommen werden. - Gesucht ist der Messpunkt mit dem größten Zielfunktionswert.

Der höchste der vier Messpunkte gehört zur Einstellung \(x=2\). Damit ist \(x=2\) unter den getesteten Einstellungen optimal.

\(x=2\)

- Suche den tiefsten Punkt des dargestellten Graphen. - Vergleiche seine Lage mit den beiden Randstellen des Intervalls. - Entscheide erst danach, ob es sich um eine Randstelle oder eine innere Stelle handelt.

Der tiefste Punkt des Graphen liegt bei \(x=2\). Diese Stelle liegt im Inneren des Intervalls \([0;5]\).

Das globale Minimum liegt im Inneren des Bereichs bei \(x=2\).

- Suche im Diagramm nach der größten dargestellten Höhe. - Prüfe, ob diese Höhe nur an einem Punkt oder über einen ganzen Abschnitt erreicht wird. - Lies die zugehörigen \(x\)-Werte an der horizontalen Achse ab.

1. Im Diagramm liegt der höchste waagerechte Abschnitt bei \(Z=8\). 2. Dieser Abschnitt reicht von \(x=3\) bis \(x=5\). Daher sind alle Einstellungen in diesem Intervall optimal.

Alle \(x\) mit \(3\le x\le5\) sind optimal. Der maximale Zielfunktionswert ist \(8\).

- Woran erkennt man bei einer Kosinusfunktion ohne Ableitung, wo die Extremwerte liegen? - Welche Werte kann die Kosinusfunktion maximal und minimal annehmen? - Vergiss nicht, die Randwerte des Definitionsbereichs zu untersuchen. - Wie berechnet man den Abstand zwischen zwei Werten auf der y-Achse?

1. Ableitung bilden: \(f'(t) = -8 \cdot \left(-\frac{\pi}{12}\right) \cdot \sin\left(\frac{\pi}{12} t\right) = \frac{2\pi}{3} \sin\left(\frac{\pi}{12} t\right)\). 2. Notwendige Bedingung für Extrema \(f'(t) = 0\) im Intervall \([0; 24]\): \(\sin\left(\frac{\pi}{12} t\right) = 0\) liefert \(t_1 = 0\), \(t_2 = 12\) und \(t_3 = 24\). 3. Funktionswerte an den Stellen berechnen: \(f(0) = -8 \cdot \cos(0) - 2 = -10\), \(f(12) = -8 \cdot \cos(\pi) - 2 = 6\), \(f(24) = -8 \cdot \cos(2\pi) - 2 = -10\). 4. Die niedrigste Temperatur wird an den Punkten \(T_1(0 \mid -10)\) und \(T_2(24 \mid -10)\) erreicht. 5. Der Hochpunkt liegt bei \(H(12 \mid 6)\). 6. Temperaturdifferenz berechnen: \(\Delta T = 6 - (-10) = 16\).

Die niedrigste Temperatur wird an den Punkten \((0 \mid -10)\) und \((24 \mid -10)\) erreicht. Der Temperaturunterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur beträgt \(16\,^\circ\text{C}\).

- Suche im Graphen zunächst den höchsten dargestellten Punkt. - Für Teil b) hilft eine gedachte waagrechte Linie auf der Höhe \(16\). - Achte darauf, dass das vorgegebene Intervall beide Randstellen einschließt.

a) Der Hochpunkt des dargestellten Graphen liegt bei \(x=3\) und \(A=18\). b) Die waagrechte Höhe \(A=16\) wird bei \(x=2\) und \(x=4\) erreicht. Dazwischen liegt der Graph mindestens auf dieser Höhe. Daher gilt \(A(x)\ge16\) für \(2\le x\le4\). c) An den Randstellen \(x=0\) und \(x=6\) liegt der Graph deutlich unter dem Hochpunkt. Daher ist der Hochpunkt im Inneren das globale Maximum auf dem dargestellten Intervall.

a) Maximum bei \(x=3\) mit \(A_{\max}=18\) b) \(2\le x\le4\) c) Beide Randwerte sind kleiner als \(18\); das Maximum liegt daher im Inneren.

- Achte auf die Bedeutung des offenen Kreises am rechten Rand. - Ein Maximum muss als Funktionswert an einer zulässigen Stelle tatsächlich angenommen werden. - Vergleiche „beliebig nahe herankommen“ mit „erreichen“.

1. Der Graph steigt auf dem gesamten zulässigen Bereich an. Für \(x\), die immer näher an \(4\) liegen, werden die Werte von \(Z(x)\) immer näher an \(10\). 2. Der Punkt \((4\mid10)\) ist jedoch offen, also wird der Wert \(10\) nicht angenommen. 3. Damit besitzt \(Z\) kein Maximum. Die kleinste obere Schranke der Werte ist \(10\).

Es gibt kein Maximum. Die Zielfunktionswerte können beliebig nahe an \(10\) herankommen, erreichen \(10\) aber nicht; die obere Schranke ist \(10\).

- Unterscheide am Sprung zwischen offenem und ausgefülltem Punkt. - Welche Höhe wird bei \(x=3\) tatsächlich angenommen? - Vergleiche anschließend diesen Wert mit den höchsten Werten auf beiden Ästen.

1. Auf dem linken Ast steigen die Funktionswerte bis in die Nähe des offenen Punktes \((3\mid7)\), dieser Punkt selbst gehört aber nicht zum Graphen. 2. Bei \(x=3\) gehört stattdessen der ausgefüllte Punkt \((3\mid9)\) zur Funktion. 3. Der rechte Ast fällt von dort bis \((6\mid4)\). Daher ist \(Z(3)=9\) der größte tatsächlich angenommene Funktionswert.

Optimal ist \(x=3\); der maximale Zielfunktionswert beträgt \(9\). Der offene Punkt \((3\mid7)\) stellt keinen Funktionswert dar.

- Beachte ausdrücklich die vorgegebene Ablesegenauigkeit. - Welche Werte würdest du für beide Einstellungen auf ganze Einheiten angeben? - Unterscheide zwischen einem sichtbaren Eindruck und einer Entscheidung, die durch die Skala wirklich abgesichert ist.

1. Bei \(x=4\) und \(x=5\) liegen die dargestellten Funktionswerte beide ungefähr bei \(10\). 2. Der mögliche Unterschied ist kleiner als die vorgegebene Ablesegenauigkeit von einer Einheit. 3. Deshalb lässt sich aus dieser Darstellung nicht zuverlässig entscheiden, welche der beiden Einstellungen tatsächlich den größeren Wert besitzt. Dafür wären genauere Daten oder eine feinere Darstellung nötig.

Nein. Beide Werte sind aus der Abbildung nur als ungefähr \(10\) ablesbar; bei der vorgegebenen Genauigkeit ist ihr Unterschied nicht zuverlässig entscheidbar.

- Überlege dir zuerst, wie man den Flächeninhalt eines Rechtecks berechnet, wenn die Eckpunkte durch den Ursprung und einen variablen Punkt auf einer Kurve gegeben sind. - Stelle eine Funktion auf, die nur von der \(x\)-Koordinate des Punktes \(P\) abhängt. - Wie findet man in der Analysis den größten Wert einer Funktion innerhalb eines bestimmten Bereichs? - Vergiss nicht, auch die Werte an den Rändern des Definitionsbereichs zu prüfen.

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt: Da \(x \geq 0\) und \(f(x) \geq 0\) im gegebenen Intervall, gilt \(A(x) = x \cdot f(x) = x \cdot (x - 6)^2 = x^3 - 12x^2 + 36x\). 2. Ableiten der Zielfunktion: \(A'(x) = 3x^2 - 24x + 36\). 3. Bestimmung der stationären Punkte: \(3x^2 - 24x + 36 = 0 \implies x^2 - 8x + 12 = 0\). Die Lösungen der quadratischen Gleichung sind \(x_1 = 2\) und \(x_2 = 6\). 4. Überprüfung der Art des Extremums: Die zweite Ableitung ist \(A''(x) = 6x - 24\). Für \(x_1 = 2\) ergibt sich \(A''(2) = 12 - 24 = -12 < 0\), somit liegt ein lokales Maximum vor. Für \(x_2 = 6\) ergibt sich \(A''(6) = 36 - 24 = 12 > 0\), ein lokales Minimum. 5. Randwertbetrachtung: \(A(0) = 0\) und \(A(6) = 0\). Das absolute Maximum liegt bei \(x = 2\). 6. Berechnung der \(y\)-Koordinate: \(f(2) = (2 - 6)^2 = 16\). Der gesuchte Punkt ist \(P(2 | 16)\).

\(P(2 | 16)\)

- Wie berechnet man allgemein den Flächeninhalt eines Rechtecks, wenn ein Eckpunkt auf dem Graphen liegt? - Welche Bedingung muss für die Ableitung an einer Extremstelle gelten? - Wie geht man mit der oberen Grenze \(\infty\) bei einem Integral um? - Was bedeutet „prozentualer Anteil“ mathematisch für zwei gegebene Flächeninhalte?

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt des Rechtecks: \(A(x) = x \cdot f(x) = 24x \cdot e^{-0{,}2x}\). 2. Bestimmung der Ableitung: \(A'(x) = 24 \cdot e^{-0{,}2x} + 24x \cdot (-0{,}2) \cdot e^{-0{,}2x} = (24 - 4{,}8x) \cdot e^{-0{,}2x}\). 3. Nullstelle der Ableitung finden: \(24 - 4{,}8x = 0 \implies x = 5\). 4. Nachweis des Maximums (z. B. über \(A''(x)\) oder Vorzeichenwechsel): \(A''(x) = (-9{,}6 + 0{,}96x) \cdot e^{-0{,}2x}\); \(A''(5) = -4{,}8 \cdot e^{-1} < 0\), also Maximum bei \(x = 5\). 5. Berechnung des maximalen Flächeninhalts: \(A(5) = 24 \cdot 5 \cdot e^{-0{,}2 \cdot 5} = 120 \cdot e^{-1} \approx 44{,}15\). 6. Berechnung des uneigentlichen Integrals für die Gesamtfläche: \(A_{\text{ges}} = \int_{0}^{\infty} 24 \cdot e^{-0{,}2x} \, dx = \lim_{b \to \infty} \left[ \frac{24}{-0{,}2} e^{-0{,}2x} \right]_0^b = \lim_{b \to \infty} \left[ -120 e^{-0{,}2x} \right]_0^b = 0 - (-120) = 120\). 7. Berechnung des prozentualen Anteils: \(\frac{A(5)}{A_{\text{ges}}} = \frac{120 \cdot e^{-1}}{120} = e^{-1} \approx 0{,}3679\), was \(36{,}79\,\%\) entspricht.

a) Das Maximum liegt bei \(x = 5\). Der maximale Flächeninhalt beträgt \(A(5) = 120 \cdot e^{-1} \approx 44{,}15\). b) Der gesamte Flächeninhalt beträgt \(A_{\text{ges}} = 120\). c) Der Anteil beträgt \(e^{-1} \approx 36{,}79\,\%\).

- Wie lässt sich der Abstand zweier Punkte \(P(x_1|y_1)\) und \(Q(x_2|y_2)\) allgemein berechnen? - Anstatt die Abstandsfunktion selbst zu untersuchen, kannst du oft das Quadrat des Abstands betrachten. Warum vereinfacht das die Rechnung? - Welche Einschränkungen gibt es für den Definitionsbereich von \(x\)? - Vergiss nicht zu prüfen, ob der gefundene Extremwert tatsächlich ein Minimum ist.

1. Aufstellen der Abstandsfunktion mithilfe des Satzes von Pythagoras: \(d(x) = \sqrt{(x - 3)^2 + (\sqrt{x + 5} - 0)^2} = \sqrt{x^2 - 6x + 9 + x + 5} = \sqrt{x^2 - 5x + 14}\). 2. Da die Wurzelfunktion streng monoton wachsend ist, reicht es, den Radikanden \(h(x) = x^2 - 5x + 14\) zu minimieren. 3. Ableitung von \(h(x)\) bilden: \(h'(x) = 2x - 5\). 4. Nullstelle der Ableitung bestimmen: \(2x - 5 = 0 \Rightarrow x = 2{,}5\). 5. Nachweis des Minimums: Da \(h(x)\) eine nach oben geöffnete Parabel ist, liegt an der Stelle \(x = 2{,}5\) das globale Minimum vor. 6. Berechnung des minimalen Abstands: \(d(2{,}5) = \sqrt{2{,}5^2 - 5 \cdot 2{,}5 + 14} = \sqrt{6{,}25 - 12{,}5 + 14} = \sqrt{7{,}75}\). 7. Randwertprüfung am Definitionsrand \(x = -5\): \(d(-5) = \sqrt{(-5-3)^2 + 0} = 8\). Da \(8 > \sqrt{7{,}75}\), ist \(d(2{,}5)\) der globale minimale Abstand.

Der Abstand wird minimal für \(x = 2{,}5\). Der minimale Abstand beträgt \(\sqrt{7{,}75} = \frac{\sqrt{31}}{2} \approx 2{,}78\).

- Wie berechnet man den Flächeninhalt eines rechtwinkligen Dreiecks, wenn die Eckpunkte durch Koordinaten gegeben sind? - Überlege dir, wie die Höhe des Dreiecks mit dem Funktionswert an der Stelle \(u\) zusammenhängt. - Erinnere dich an die Quotientenregel für das Ableiten von Brüchen. - Welche Bedingungen müssen für ein lokales Maximum erfüllt sein? - Vergiss nicht zu prüfen, ob der gefundene Wert im Definitionsbereich liegt.

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt \(A\) in Abhängigkeit von \(u\): Da das Dreieck rechtwinklig mit der Grundseite \(u\) und der Höhe \(f(u)\) ist, gilt \(A(u) = \frac{1}{2} \cdot u \cdot f(u) = \frac{1}{2} \cdot u \cdot \frac{10 \ln(u)}{u^2} = \frac{5 \ln(u)}{u}\). 2. Bildung der ersten Ableitung mittels Quotientenregel: \(A'(u) = \frac{5 \cdot \frac{1}{u} \cdot u - 5 \ln(u) \cdot 1}{u^2} = \frac{5 - 5 \ln(u)}{u^2}\). 3. Bestimmung der Nullstellen der ersten Ableitung (notwendige Bedingung): \(5 - 5 \ln(u) = 0 \Leftrightarrow \ln(u) = 1 \Leftrightarrow u = e\). 4. Überprüfung der Art des Extremums (hinreichende Bedingung): Ein Vorzeichenwechsel von \(A'(u)\) an der Stelle \(u = e\) von Plus nach Minus (da \(5 - 5 \ln(u) > 0\) für \(u < e\) und \(5 - 5 \ln(u) < 0\) für \(u > e\)) bestätigt das lokale Maximum. Da \(A(1) = 0\) und \(\lim_{u \to \infty} A(u) = 0\), liegt bei \(u = e\) das globale Maximum vor.

Der Flächeninhalt des Dreiecks ist für \(u = e\) am größten.

- Wie hängen die Seitenlängen des Rechtecks mit der Position des Punktes \(Q\) auf dem Graphen zusammen? - Nutze die Produktregel und die Kettenregel, um die Zielfunktion abzuleiten. - Ein Produkt ist genau dann null, wenn einer der Faktoren null ist – beachte dabei das Verhalten der \(e\)-Funktion. - Überprüfe dein Ergebnis mit der zweiten Ableitung oder einem Vorzeichenwechselkriterium.

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt des Rechtecks: \(A(u) = u \cdot g(u) = 12u \cdot e^{-0{,}25u^2}\). 2. Ableiten der Zielfunktion unter Verwendung der Produkt- und Kettenregel: \(A'(u) = 12 \cdot e^{-0{,}25u^2} + 12u \cdot (-0{,}5u) \cdot e^{-0{,}25u^2} = (12 - 6u^2) \cdot e^{-0{,}25u^2}\). 3. Nullstellen der Ableitung bestimmen: \(12 - 6u^2 = 0 \Rightarrow u^2 = 2 \Rightarrow u = \sqrt{2}\) (da \(u \ge 0\)). 4. Nachweis des Maximums: Die zweite Ableitung \(A''(u) = (3u^3 - 18u) \cdot e^{-0{,}25u^2}\) ergibt an der Stelle \(u = \sqrt{2}\) den Wert \((6\sqrt{2} - 18\sqrt{2}) \cdot e^{-0{,}5} = -12\sqrt{2} \cdot e^{-0{,}5} < 0\), somit liegt ein Maximum vor. 5. Berechnung des maximalen Flächeninhalts: \(A(\sqrt{2}) = 12\sqrt{2} \cdot e^{-0{,}25 \cdot 2} = 12\sqrt{2} \cdot e^{-0{,}5} \approx 10{,}29\). 6. Zusätzlich gilt \(A(0)=0\) und \(\lim_{u\to\infty}A(u)=0\). Damit ist die gefundene Maximalstelle global.

Der Flächeninhalt wird für \(u = \sqrt{2}\) maximal. Der maximale Flächeninhalt beträgt \(12\sqrt{2} \cdot e^{-0{,}5} \approx 10{,}29\).

- Welche Bedingung muss für ein lokales Extremum erfüllt sein? - Wie hängen die Ableitungen einer Funktion mit der Steigung und der Krümmung zusammen? - Prüfe bei Wendepunkten und Schnittpunkten immer, ob die berechneten Stellen im Definitionsbereich liegen. - Was bedeutet es geometrisch, wenn ein horizontaler Lichtstrahl genau auf die höchste Stelle des Graphen trifft?

1. Ableitungen bilden: \(f'(x) = x \cdot e^{-0{,}2x} + 0{,}5x^2 \cdot (-0{,}2) \cdot e^{-0{,}2x} = (x - 0{,}1x^2) \cdot e^{-0{,}2x}\). \(f''(x) = (1 - 0{,}2x) \cdot e^{-0{,}2x} - 0{,}2 \cdot (x - 0{,}1x^2) \cdot e^{-0{,}2x} = (0{,}02x^2 - 0{,}4x + 1) \cdot e^{-0{,}2x}\). 2. Maximale Höhe: \(f'(x) = 0 \Rightarrow x(1 - 0{,}1x) = 0\). Im Inneren des Intervalls liegt die kritische Stelle \(x=10\). Für \(0<x<10\) ist \(f'(x)>0\), für \(10<x\leq15\) ist \(f'(x)<0\). Daher liegt das eindeutige globale Maximum bei \(x = 10\). Die Höhe beträgt \(f(10) = 0{,}5 \cdot 100 \cdot e^{-2} = 50 \cdot e^{-2} \approx 6{,}77\,\text{m}\). 3. Wendepunkte: \(f''(x) = 0 \Rightarrow 0{,}02x^2 - 0{,}4x + 1 = 0 \Rightarrow x^2 - 20x + 50 = 0\). Daraus folgt \(x = 10 \pm \sqrt{50}\). Im betrachteten Intervall liegt nur \(x = 10 - \sqrt{50} \approx 2{,}93\). Rechts der Wallkrone, also für \(x>10\), gibt es im betrachteten Intervall keinen Wendepunkt. Der rechnerische rechte Wendepunkt liegt bei \(x = 10 + \sqrt{50} \approx 17{,}07\) und damit außerhalb des modellierten Walls. Im Modell ändert sich die Krümmung auf der rechten Seite des betrachteten Walls daher nicht mehr. 4. Lichtstrahl: Die Höhe der Wallkrone ist \(y = 50 \cdot e^{-2}\). Da \(x = 10\) die Stelle des eindeutigen globalen Maximums im Intervall \([0; 15]\) ist, gilt für alle anderen Stellen im betrachteten Bereich \(f(x) < 50 \cdot e^{-2}\). Der horizontale Lichtstrahl in Kronenhöhe trifft die Oberfläche rechts der Wallkrone daher im betrachteten Bereich nicht erneut.

a) Die maximale Höhe beträgt etwa \(6{,}77\,\text{m}\) an der Stelle \(x = 10\,\text{m}\). b) Rechts der Wallkrone (\(x>10\)) gibt es im betrachteten Intervall keinen Wendepunkt. Der rechnerische rechte Wendepunkt liegt bei \(x = 10 + \sqrt{50} \approx 17{,}07\) und damit außerhalb des modellierten Bereichs; im Intervall liegt nur der Wendepunkt bei \(x = 10 - \sqrt{50} \approx 2{,}93\). c) Der horizontale Lichtstrahl trifft die Oberfläche rechts der Wallkrone im Bereich \([0; 15]\) nicht erneut.

- Überlege dir, wie man die Länge der Grundseite und die Höhe eines Dreiecks im Koordinatensystem bestimmt, wenn zwei Punkte auf derselben Höhe liegen. - Welche geometrische Formel nutzt man für den Flächeninhalt eines Dreiecks? - Um eine Formel allgemein nachzuweisen, setze die Koordinaten der Punkte in Abhängigkeit von \(k\) in deine Flächenformel ein. - Wie findet man in der Analysis die Stelle, an der eine Funktion ihren größten Wert annimmt? - Vergiss nicht zu prüfen, ob es sich tatsächlich um ein Maximum handelt.

1. Für \(k=1\) ergibt sich \(f(1) = \frac{1^2}{1^2+4} = 0{,}2\). Die Punkte sind \(P_1(-1|0{,}2)\), \(Q_1(1|0{,}2)\) und \(R(0|1)\). Die Grundseite \(b\) verläuft parallel zur \(x\)-Achse mit Länge \(b = 1 - (-1) = 2\). Die Höhe \(h\) ist die Differenz der \(y\)-Koordinaten: \(h = 1 - 0{,}2 = 0{,}8\). Der Flächeninhalt ist \(A = \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 0{,}8 = 0{,}8\). 2. Allgemein ist die Grundseite \(b = 2k\) und die Höhe \(h = 1 - f(k) = 1 - \frac{k^2}{k^2+4} = \frac{k^2+4-k^2}{k^2+4} = \frac{4}{k^2+4}\). Der Flächeninhalt ergibt sich zu \(A(k) = \frac{1}{2} \cdot 2k \cdot \frac{4}{k^2+4} = \frac{4k}{k^2+4}\). 3. Zur Bestimmung des Maximums wird die Ableitung gebildet: \(A'(k) = \frac{4(k^2+4) - 4k \cdot 2k}{(k^2+4)^2} = \frac{16 - 4k^2}{(k^2+4)^2}\). 4. Nullsetzen der Ableitung: \(16 - 4k^2 = 0 \Rightarrow k^2 = 4\). Da \(k > 0\), ist \(k = 2\). 5. Ein Vorzeichenwechsel von \(A'(k)\) bei \(k=2\) von plus nach minus (da der Zähler eine nach unten geöffnete Parabel ist) bestätigt das lokale Maximum. Da \(A(k)\) für \(k \to 0\) und \(k \to \infty\) gegen \(0\) strebt, ist dies das globale Maximum. 6. Maximaler Flächeninhalt: \(A(2) = \frac{4 \cdot 2}{2^2+4} = \frac{8}{8} = 1\).

a) Für \(k=1\) ist der Flächeninhalt \(0{,}8\). Der allgemeine Term ist \(A(k) = \frac{4k}{k^2 + 4}\). b) Der Flächeninhalt ist für \(k = 2\) maximal. Der maximale Flächeninhalt beträgt \(1\).

- Überlege dir, wie du die Breite des Dreiecks in Abhängigkeit von der Höhe \(k\) ausdrücken kannst. - Welche geometrische Formel für den Flächeninhalt eines Dreiecks ist hier nützlich? - Nutze die Symmetrie der Parabel zur \(y\)-Achse, um die Länge der Grundseite zu bestimmen. - Vergiss nicht, am Ende zu prüfen, ob dein gefundenes Ergebnis im sinnvollen Bereich für \(k\) liegt.

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt \(A\): Die Schnittpunkte mit der Geraden \(y = k\) ergeben sich aus \(k = 12 - x^2\), woraus \(x^2 = 12 - k\) und somit \(x = \pm \sqrt{12 - k}\) folgt. Die Grundseite des Dreiecks ist \(g = 2 \cdot \sqrt{12 - k}\), die zugehörige Höhe ist \(h = k\). 2. Die Zielfunktion lautet \(A(k) = \frac{1}{2} \cdot 2\sqrt{12 - k} \cdot k = k \cdot \sqrt{12 - k}\) für \(k \in (0; 12)\). 3. Ableitung der Zielfunktion mit der Produkt- und Kettenregel: \(A'(k) = 1 \cdot \sqrt{12 - k} + k \cdot \frac{1}{2\sqrt{12 - k}} \cdot (-1) = \frac{2(12 - k) - k}{2\sqrt{12 - k}} = \frac{24 - 3k}{2\sqrt{12 - k}}\). 4. Bestimmung des Extremums: \(A'(k) = 0 \implies 24 - 3k = 0 \implies k = 8\). 5. Überprüfung der Art des Extremums und des Randverhaltens: Ein Vorzeichenwechsel von \(A'\) bei \(k = 8\) von Plus nach Minus bestätigt das lokale Maximum. Da \(\lim_{k \to 0^+} A(k) = 0\) und \(\lim_{k \to 12^-} A(k) = 0\), liegt bei \(k = 8\) das globale Maximum vor. 6. Berechnung des maximalen Flächeninhalts: \(A(8) = 8 \cdot \sqrt{12 - 8} = 8 \cdot 2 = 16\).

Der Flächeninhalt des Dreiecks wird für \(k = 8\) maximal. Der maximale Flächeninhalt beträgt \(16\) Flächeneinheiten.

- Für Aufgabenteil a) musst du lediglich die gegebenen Zeitpunkte in die Funktionsgleichung einsetzen. - Denke bei Extremwertaufgaben in b) daran, sowohl die notwendige Bedingung als auch ein Kriterium zur Überprüfung der Art des Extremums zu nutzen. - Vergiss bei der Suche nach dem absoluten Maximum nicht, die Werte an den Rändern des Definitionsbereichs zu prüfen. - Die zweite Ableitung gibt an, wie sich die Steigung (also die Änderungsrate) der Funktion verändert. - Das Maximum einer Änderungsrate findest du dort, wo die Ableitung dieser Rate null wird.

1. Einsetzen der Zeitwerte in die Funktionsgleichung: \(c(0) = 5\) und \(c(12) = -0{,}1 \cdot 12^3 + 1{,}2 \cdot 12^2 + 5 = -172{,}8 + 172{,}8 + 5 = 5\). Zu Beginn und nach 12 Minuten beträgt die Konzentration jeweils \(5\,\text{mg}/\text{l}\). 2. Bestimmung des Maximums über die erste Ableitung: \(c'(t) = -0{,}3t^2 + 2{,}4t\). Nullstellen von \(c'\): \(0{,}3t(-t + 8) = 0\) liefert \(t_1 = 0\) und \(t_2 = 8\). Die zweite Ableitung \(c''(t) = -0{,}6t + 2{,}4\) ergibt \(c''(8) = -2{,}4 < 0\), also liegt bei \(t = 8\) ein lokales Maximum vor. Da die Randwerte \(c(0) = 5\) und \(c(12) = 5\) kleiner sind als \(c(8) = -0{,}1 \cdot 8^3 + 1{,}2 \cdot 8^2 + 5 = 30{,}6\), ist dies das globale Maximum. 3. Berechnung von \(c''(2) = -0{,}6 \cdot 2 + 2{,}4 = 1{,}2\,\text{mg}/(\text{l} \cdot \text{min}^2)\). Da \(c''(2) > 0\), nimmt die Änderungsrate der Konzentration zu diesem Zeitpunkt zu; die Zunahme der Konzentration beschleunigt sich also. 4. Die maximale Zunahme liegt am Wendepunkt (Maximum der ersten Ableitung). \(c''(t) = 0 \implies -0{,}6t + 2{,}4 = 0 \implies t = 4\). Die maximale Änderungsrate beträgt \(c'(4) = -0{,}3 \cdot 4^2 + 2{,}4 \cdot 4 = -4{,}8 + 9{,}6 = 4{,}8\,\text{mg}/(\text{l} \cdot \text{min})\).

a) \(c(0) = 5\,\text{mg}/\text{l}\) und \(c(12) = 5\,\text{mg}/\text{l}\). b) Das Maximum wird nach \(8\,\text{Minuten}\) erreicht und beträgt \(30{,}6\,\text{mg}/\text{l}\). c) \(c''(2) = 1{,}2\,\text{mg}/(\text{l} \cdot \text{min}^2)\). Dies bedeutet, dass die Änderungsrate der Konzentration zum Zeitpunkt \(t = 2\) ansteigt (positive Beschleunigung der Konzentrationszunahme). d) Die Konzentration nimmt nach \(4\,\text{Minuten}\) am schnellsten zu. Die maximale Änderungsrate beträgt \(4{,}8\,\text{mg}/(\text{l} \cdot \text{min})\).

- Stelle eine Funktion für den Flächeninhalt in Abhängigkeit von \(x\) auf. - Nutze die Ableitung, um nach Hochpunkten innerhalb des Intervalls zu suchen. - Es ist bei solchen Aufgaben sehr wichtig, die Werte an den Intervallgrenzen mit den lokalen Maxima zu vergleichen. - Kann es sein, dass ein Maximum mehrmals vorkommt?

1. Die Zielfunktion für den Flächeninhalt lautet \(A(x) = x \cdot ((x-2)^2 + 1) = x(x^2 - 4x + 5) = x^3 - 4x^2 + 5x\). 2. Die erste Ableitung ist \(A'(x) = 3x^2 - 8x + 5\). 3. Nullstellen der Ableitung: \(3x^2 - 8x + 5 = 0\) liefert \(x_1 = 1\) und \(x_2 = \frac{5}{3} \approx 1{,}67\). 4. Überprüfung der Art der Extrema: \(A''(x) = 6x - 8\). Da \(A''(1) = -2 < 0\), ist bei \(x=1\) ein lokales Maximum. Da \(A''(\frac{5}{3}) = 2 > 0\), ist bei \(x=\frac{5}{3}\) ein lokales Minimum. 5. Berechnung der Flächeninhalte: \(A(1) = 1^3 - 4 \cdot 1^2 + 5 \cdot 1 = 2\). 6. Randwertbetrachtung: \(A(0) = 0\) und \(A(2) = 2 \cdot ((2-2)^2 + 1) = 2 \cdot 1 = 2\). 7. Ergebnisvergleich: Sowohl an der lokalen Maximalstelle \(x = 1\) als auch am rechten Intervallrand \(x = 2\) beträgt der Flächeninhalt \(2\).

Der maximale Flächeninhalt von \(2\) Flächeneinheiten wird an zwei Stellen erreicht: bei \(x = 1\) und am Rand bei \(x = 2\).

- Wie berechnet man allgemein den Abstand zwischen zwei Punkten im Koordinatensystem? - Überlege dir, warum es ausreicht, das Quadrat des Abstands zu minimieren, um die Rechnung zu vereinfachen. - Welche Bedingungen müssen für ein lokales Minimum einer Funktion erfüllt sein? - Hast du alle Bedingungen der Aufgabenstellung, wie zum Beispiel den Definitionsbereich, berücksichtigt?

1. Der Abstand eines Punktes \(P(x \mid f(x))\) zum Ursprung ist \(d=\sqrt{x^2+(f(x))^2}\). Da die Quadratwurzel streng monoton steigt, kann das Abstandsquadrat \(g(x)=d^2=x^2+\left(\frac{4}{x}\right)^2=x^2+\frac{16}{x^2}\) für \(x>0\) minimiert werden. 2. Es ist \(g'(x)=2x-\frac{32}{x^3}\). 3. Aus \(g'(x)=0\) folgt \(2x=\frac{32}{x^3}\), also \(x^4=16\). Wegen \(x>0\) gilt \(x=2\). 4. Die zweite Ableitung ist \(g''(x)=2+\frac{96}{x^4}>0\) für alle \(x>0\). Außerdem gilt \(g(x)\to\infty\) für \(x\to0^+\) und für \(x\to\infty\). Daher ist der einzige stationäre Punkt das globale Minimum. 5. Es ist \(f(2)=2\). Der gesuchte Punkt lautet \(P(2 \mid 2)\).

Der Punkt \(P(2 \mid 2)\) hat den minimalen Abstand zum Ursprung.

- Wie berechnet man den Umfang eines Rechtecks, wenn die Koordinaten eines Eckpunkts bekannt sind? - Überlege dir, wie du die Zielfunktion für den Umfang nur in Abhängigkeit von \(x\) ausdrücken kannst. - Nutze die notwendige Bedingung für Extremstellen, um den optimalen \(x\)-Wert zu finden. - Was passiert mit dem Flächeninhalt, wenn \(x\) sehr große Werte annimmt?

1. Aufstellen der Umfangsfunktion: Da das Rechteck achsenparallel ist und einen Eckpunkt im Ursprung hat, sind die Seitenlängen \(x\) und \(f(x)\). Der Umfang berechnet sich zu \(U(x) = 2(x + f(x)) = 2(x + x + \frac{8}{x}) = 4x + \frac{16}{x}\). 2. Bestimmung des Minimums: Die erste Ableitung ist \(U'(x) = 4 - \frac{16}{x^2}\). Nullsetzen ergibt \(4 = \frac{16}{x^2} \Rightarrow x^2 = 4\). Da \(x > 0\), ist \(x = 2\). Die zweite Ableitung \(U''(x) = \frac{32}{x^3}\) ist für \(x = 2\) positiv (\(U''(2) = 4 > 0\)), daher liegt ein lokales Minimum vor. 3. Seitenlängen: Die erste Seite ist \(x = 2\). Die zweite Seite ist \(f(2) = 2 + \frac{8}{2} = 6\). 4. Minimaler Umfang: \(U(2) = 4 \cdot 2 + \frac{16}{2} = 16\). 5. Untersuchung des Flächeninhalts: Die Zielfunktion für die Fläche ist \(A(x) = x \cdot f(x) = x \cdot (x + \frac{8}{x}) = x^2 + 8\). Da \(\lim_{x \to \infty} A(x) = \infty\), existiert für \(x > 0\) kein globales Maximum für den Flächeninhalt. 6. Da \(U''(x)>0\) für alle \(x>0\) und \(U(x)\to\infty\) für \(x\to0^+\) sowie für \(x\to\infty\) gilt, ist das Minimum global.

a) Die Seitenlängen betragen \(2\) und \(6\). b) Der minimale Umfang beträgt \(16\). c) Der Flächeninhalt wird durch \(A(x) = x^2 + 8\) beschrieben. Da dieser Term für \(x \to \infty\) unendlich groß wird, gibt es keinen maximalen Flächeninhalt.

- Setze die Funktionsterme der Geraden und der Kurve gleich, um die Schnittstellen zu finden. - Erinnere dich an die Abstandsformel zwischen zwei Punkten \(P_1(x_1|y_1)\) und \(P_2(x_2|y_2)\). - Wenn du eine Wurzel-Funktion minimieren möchtest, reicht es oft aus, den Ausdruck unter der Wurzel zu untersuchen. - Beachte bei der Lösung von Gleichungen wie \(m^2 = k\) die Definitionsmenge für die Steigung.

1. Schnittpunkte berechnen: Gleichsetzen von \(g(x) = mx\) und \(f(x) = \frac{9}{x}\) ergibt \(mx = \frac{9}{x} \Rightarrow x^2 = \frac{9}{m}\). Daraus folgen \(x_1 = \frac{3}{\sqrt{m}}\) und \(x_2 = -\frac{3}{\sqrt{m}}\). Die \(y\)-Koordinaten sind \(y_1 = m \cdot \frac{3}{\sqrt{m}} = 3\sqrt{m}\) und \(y_2 = -3\sqrt{m}\). Die Punkte sind \(P_1\left(\frac{3}{\sqrt{m}} \mid 3\sqrt{m}\right)\) und \(P_2\left(-\frac{3}{\sqrt{m}} \mid -3\sqrt{m}\right)\). 2. Minimum der Abstandsfunktion: Um \(d(m)\) zu minimieren, reicht es, den Radikanden \(h(m) = m + \frac{1}{m}\) zu minimieren. Die Ableitung ist \(h'(m) = 1 - \frac{1}{m^2}\). Nullsetzen ergibt \(m^2 = 1\), also \(m = 1\) (da \(m > 0\)). Wegen \(h''(m) = \frac{2}{m^3} > 0\) liegt ein Minimum vor. 3. Koordinaten und Abstand: Für \(m = 1\) ergeben sich die Punkte \(P_1(3 \mid 3)\) und \(P_2(-3 \mid -3)\). Der minimale Abstand ist \(d(1) = \sqrt{36 \cdot (1 + 1)} = \sqrt{72} = 6\sqrt{2}\). 4. Da \(h''(m)>0\) für alle \(m>0\) und \(h(m)\to\infty\) für \(m\to0^+\) sowie für \(m\to\infty\) gilt, ist das Minimum global.

a) \(P_1\left(\frac{3}{\sqrt{m}} \mid 3\sqrt{m}\right)\) und \(P_2\left(-\frac{3}{\sqrt{m}} \mid -3\sqrt{m}\right)\). b) Die Steigung für den minimalen Abstand beträgt \(m = 1\). c) Die Punkte sind \(P_1(3 \mid 3)\) und \(P_2(-3 \mid -3)\). Der minimale Abstand beträgt \(6\sqrt{2} \approx 8{,}49\).

- Welche Maße hat ein Rechteck, dessen Ecken durch die Koordinatenachsen und einen Punkt auf einer Kurve festgelegt sind? - Stelle eine Formel für den Flächeninhalt in Abhängigkeit von \(x\) auf. - Wie findet man in der Analysis den höchsten Wert einer Funktion? - Denk an die Ableitungsregeln für Wurzelterme und Produkte.

1. Da der Radikand einer Wurzelfunktion nicht negativ sein darf, gilt \(27 - 3x \ge 0\), woraus \(3x \le 27\) und somit \(x \le 9\) folgt. Da die Fläche im ersten Quadranten liegt, ist der Definitionsbereich \(x \in [0; 9]\). 2. Die Zielfunktion für den Flächeninhalt \(A\) ergibt sich aus dem Produkt der Seitenlängen \(x\) und \(y = f(x)\): \(A(x) = x \cdot \sqrt{27 - 3x}\). 3. Die Ableitung der Zielfunktion erfolgt mit der Produkt- und Kettenregel: \(A'(x) = 1 \cdot \sqrt{27 - 3x} + x \cdot \frac{1}{2\sqrt{27 - 3x}} \cdot (-3) = \frac{2(27 - 3x) - 3x}{2\sqrt{27 - 3x}} = \frac{54 - 9x}{2\sqrt{27 - 3x}}\). 4. Die Extremstelle wird durch \(A'(x) = 0\) bestimmt: \(54 - 9x = 0 \Rightarrow x = 6\). 5. Die zugehörige \(y\)-Koordinate ist \(f(6) = \sqrt{27 - 3 \cdot 6} = \sqrt{9} = 3\). Der gesuchte Punkt ist \(P(6|3)\). 6. Der maximale Flächeninhalt berechnet sich zu \(A(6) = 6 \cdot 3 = 18\). Da \(A(0) = 0\) und \(A(9) = 0\), liegt bei \(x = 6\) das absolute Maximum vor.

a) Für die betrachtete Fläche gilt \(x \in [0; 9]\). b) Der Punkt ist \(P(6|3)\) und der maximale Flächeninhalt beträgt \(18\).

- Wie berechnet man den vertikalen Abstand zweier Punkte mit derselben \(x\)-Koordinate? - Stelle die Abstandsfunktion als Differenz der beiden Funktionswerte auf. - Welche Kandidaten müssen bei einem Minimum auf einem abgeschlossenen Intervall geprüft werden? - Vergleiche nach der Extremwertbestimmung beide Randwerte mit dem inneren Kandidaten.

1. Im Intervall \([-4;-1]\) gilt \(f(a)\ge g(a)\), daher ist die Abstandsfunktion \(d(a)=f(a)-g(a)=-\frac13a^3-2a^2-3a+3\). 2. Die Ableitung ist \(d'(a)=-a^2-4a-3\). Aus \(d'(a)=0\) folgen \(a=-1\) und \(a=-3\). 3. Mit \(d''(a)=-2a-4\) gilt \(d''(-3)=2>0\), also ist \(a=-3\) ein lokales Minimum. Für \(a=-1\) gilt \(d''(-1)=-2<0\). 4. Auf dem abgeschlossenen Intervall werden zusätzlich beide Randwerte geprüft: \(d(-4)=\frac{13}{3}\) und \(d(-1)=\frac{13}{3}\). Dagegen ist \(d(-3)=3\). Somit liegt das absolute Minimum bei \(a=-3\).

Die Strecke wird für \(a=-3\) minimal. Der minimale Abstand beträgt \(3\).

- Wie lautet die allgemeine Formel für den Flächeninhalt eines rechtwinkligen Dreiecks? - Die Höhe des Dreiecks entspricht genau dem Funktionswert an der Stelle \(x\). - Denke beim Ableiten an die Produktregel und die Kettenregel für die Exponentialfunktion. - Da das Intervall für \(x\) abgeschlossen ist, musst du sicherstellen, dass das gefundene Maximum nicht an den Rändern liegt.

1. Aufstellen der Zielfunktion für den Flächeninhalt des rechtwinkligen Dreiecks: \(A(x) = \frac{1}{2} \cdot \text{Grundseite} \cdot \text{Höhe} = \frac{1}{2} \cdot x \cdot f(x) = \frac{1}{2}x(4 - x)e^{0{,}5x} = (2x - 0{,}5x^2)e^{0{,}5x}\). 2. Ableiten der Zielfunktion unter Verwendung der Produktregel: \(A'(x) = (2 - x) \cdot e^{0{,}5x} + (2x - 0{,}5x^2) \cdot 0{,}5 \cdot e^{0{,}5x}\). 3. Vereinfachen der Ableitung: \(A'(x) = (2 - x + x - 0{,}25x^2)e^{0{,}5x} = (2 - 0{,}25x^2)e^{0{,}5x}\). 4. Bestimmen der Extremstellen durch \(A'(x) = 0\): Da \(e^{0{,}5x} \neq 0\), muss \(2 - 0{,}25x^2 = 0\) gelten, woraus \(x^2 = 8\) folgt. 5. Da \(x\) im Intervall \([0; 4]\) liegen muss, ist die relevante Stelle \(x = \sqrt{8} \approx 2{,}83\). 6. Randwertprüfung: \(A(0) = 0\), \(A(4) = 0\). Da \(A(\sqrt{8}) = (2\sqrt{8} - 0{,}5 \cdot 8)e^{0{,}5\sqrt{8}} \approx 6{,}82 > 0\), ist dies das absolute Maximum im Intervall.

Der Flächeninhalt des Dreiecks wird für \(x = \sqrt{8} \approx 2{,}83\) maximal.

- Wie findest du die Steigung einer Geraden, wenn du zwei Punkte auf ihr kennst? - Überlege dir eine Funktion, die den vertikalen Unterschied zwischen zwei Graphen beschreibt. - Welches mathematische Werkzeug hilft dir dabei, den höchsten Punkt einer Kurve zu finden? - Vergiss nicht zu prüfen, ob der gefundene Wert tatsächlich im angegebenen Intervall liegt.

1. Berechnung der Funktionswerte an den Rändern: \(f(1) = 4\) und \(f(4) = 1\). 2. Bestimmung der Sekantensteigung: \(m = \frac{1 - 4}{4 - 1} = -1\). 3. Aufstellen der Sekantengleichung: \(s(x) = -1 \cdot (x - 1) + 4 = -x + 5\). 4. Definition der Differenzfunktion für den vertikalen Abstand: \(d(x) = s(x) - f(x) = -x + 5 - \frac{4}{x}\). 5. Ableitung der Differenzfunktion: \(d'(x) = -1 + \frac{4}{x^2}\). 6. Berechnung der kritischen Stelle: \(d'(x) = 0 \implies \frac{4}{x^2} = 1 \implies x^2 = 4\). Da \(x \in [1; 4]\), folgt \(x = 2\). 7. Nachweis des Maximums: \(d''(x) = -\frac{8}{x^3}\); \(d''(2) = -1 < 0\), somit liegt ein lokales Maximum vor. Da \(d(1) = 0\) und \(d(4) = 0\), ist es ein globales Maximum im Intervall. 8. Berechnung des maximalen Abstands: \(d(2) = -2 + 5 - \frac{4}{2} = 1\).

a) \(s(x) = -x + 5\) b) Die Stelle ist \(x = 2\); der maximale Abstand beträgt \(1\).

- Überlege zuerst, gegen welchen Wert die Funktion strebt, wenn \(|x|\) sehr groß wird. Das ist die waagerechte Asymptote. - Warum kann ein maximales Rechteck die Asymptote als obere Begrenzung nutzen? - Nutze Symmetrie und das Verhalten von \(f\) mit wachsendem \(|x|\), um die Lage eines optimalen Rechtecks zu begründen. - Stelle anschließend eine Formel für den Flächeninhalt in Abhängigkeit von einer positiven Variablen auf.

1. Bestimmung der waagerechten Asymptote: Da \(\lim_{x \to \pm \infty} \frac{3x^2}{x^2+9} = 3\), lautet die Gleichung der Asymptote \(y = 3\). 2. Der Graph ist achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse und \(f(x)\) wächst mit \(|x|\). Ein flächenmaximales Rechteck kann nach oben bis zur Asymptote erweitert werden. Für einen vorgegebenen maximalen Abstand \(x>0\) seiner vertikalen Seiten von der \(y\)-Achse ist die größte mögliche Breite \(2x\); sie wird bei symmetrischer Lage erreicht, während die zulässige Höhe durch \(f(x)\) bestimmt wird. Daher genügt es, die unteren Eckpunkte als \(P_1(x \mid f(x))\) und \(P_2(-x \mid f(x))\) und die oberen als \(P_3(x \mid 3)\) und \(P_4(-x \mid 3)\) zu wählen. 3. Die Breite des Rechtecks beträgt \(b(x) = 2x\), die Höhe ist die Differenz der \(y\)-Werte: \(h(x) = 3 - f(x) = 3 - \frac{3x^2}{x^2+9} = \frac{3(x^2+9) - 3x^2}{x^2+9} = \frac{27}{x^2+9}\). 4. Die Zielfunktion für den Flächeninhalt lautet \(A(x) = 2x \cdot \frac{27}{x^2+9} = \frac{54x}{x^2+9}\). 5. Ableitung bilden: \(A'(x) = \frac{54(x^2+9) - 54x(2x)}{(x^2+9)^2} = \frac{486 - 54x^2}{(x^2+9)^2}\). 6. Nullstelle der Ableitung: \(486 - 54x^2 = 0 \implies x^2 = 9 \implies x = 3\) (da \(x > 0\)). 7. Überprüfung des Maximums: \(A'(x)\) wechselt bei \(x = 3\) das Vorzeichen von Plus nach Minus. Da \(A(x) \to 0\) für \(x \to 0\) und \(x \to \infty\), ist es ein absolutes Maximum. 8. Seitenlängen berechnen: Breite \(b = 2 \cdot 3 = 6\), Höhe \(h = \frac{27}{3^2+9} = \frac{27}{18} = 1{,}5\).

Das Rechteck mit dem maximalen Flächeninhalt hat die Seitenlängen \(6\) und \(1{,}5\).

- Welche mathematische Bedingung muss für die Achsensymmetrie zur y-Achse erfüllt sein? - Aus welchen Seitenlängen setzt sich das eingezeichnete Rechteck zusammen? Drücke diese mithilfe von \(u\) aus. - Welche Ableitungsregel eignet sich für die Flächenfunktion \(A(u)\)? - Untersuche das Vorzeichen der Ableitung vor und nach der positiven kritischen Stelle.

a) Für jedes \(x \in \mathbb{R}\) gilt \(f(-x) = \frac{16}{(-x)^2 + 4} = \frac{16}{x^2 + 4} = f(x)\). Daher ist \(G_f\) achsensymmetrisch zur y-Achse. Der Schnittpunkt mit der y-Achse liegt bei \(x=0\): \(f(0)=4\). Somit ist \(S_y(0\mid4)\). b) Die Breite des Rechtecks ist der Abstand zwischen \(P(-u \mid 0)\) und \(Q(u \mid 0)\), also \(2u\). Die Höhe entspricht \(f(u)=\frac{16}{u^2+4}\). Damit gilt \(A(u)=2u\cdot\frac{16}{u^2+4}=\frac{32u}{u^2+4}\). c) Wir leiten die Flächenfunktion \(A(u)\) mithilfe der Quotientenregel ab: \(A'(u)=\frac{32(u^2+4)-32u\cdot2u}{(u^2+4)^2}=\frac{32(4-u^2)}{(u^2+4)^2}\). Aus \(A'(u)=0\) folgt wegen \(u>0\) der Wert \(u=2\). Für \(0<u<2\) ist \(A'(u)>0\), für \(u>2\) ist \(A'(u)<0\); daher liegt bei \(u=2\) das globale Maximum. Es ist \(A(2)=8\).

a) Es gilt \(f(-x)=f(x)\); der Schnittpunkt mit der y-Achse ist \(S_y(0\mid4)\). b) \(A(u)=\frac{32u}{u^2+4}\). c) Der Flächeninhalt wird für \(u=2\) maximal; der maximale Flächeninhalt beträgt \(8\).

- Betrachte für die Entscheidung den gesamten zulässigen Bereich und nicht nur die Umgebung des Hochpunkts. - Welche weiteren Kandidaten für große Funktionswerte zeigt der Graph? - Prüfe in Teil c) nur die Stellen, die nach der neuen Einschränkung noch zulässig sind.

1. Der Graph besitzt bei \(x=2\) einen lokalen Hochpunkt, erreicht am rechten Rand \(x=6\) aber einen höheren Funktionswert. Auf \([0;6]\) liegt das globale Maximum daher bei \(x=6\). 2. Ein lokaler Hochpunkt muss auf einem abgeschlossenen Intervall nicht den größten Funktionswert besitzen. Für ein globales Maximum sind auch Randwerte und weitere Extremstellen zu berücksichtigen. 3. Auf dem eingeschränkten Intervall \([0;4]\) ist der Randwert bei \(x=4\) kleiner als der lokale Hochpunkt bei \(x=2\). Daher ist nun \(x=2\) die globale Maximalstelle.

a) Auf \([0;6]\) ist \(x=6\) global optimal. b) Lars verwechselt ein lokales mit dem globalen Maximum und berücksichtigt die Randwerte nicht. c) Auf \([0;4]\) ist \(x=2\) global optimal.

- Markiere zunächst alle im Inneren sichtbaren Hochpunkte. - Welche weiteren Kandidaten gehören bei einem abgeschlossenen zulässigen Intervall zur Prüfung? - Vergleiche die Höhen aller Kandidaten, nicht nur die lokalen Maxima.

1. Im Inneren sind Hochpunkte bei \(x=2\) mit \(Z=9\) und bei \(x=6\) mit \(Z=8\) zu erkennen. 2. Zu einer globalen Entscheidung auf einem abgeschlossenen Intervall müssen auch die Randwerte betrachtet werden. 3. Links gilt \(Z(0)=7\), rechts \(Z(8)=10\). Der größte aller Kandidaten ist daher \(Z(8)=10\).

Das globale Maximum ist \(Z(8)=10\). Der rechte Randwert ist größer als beide inneren Hochpunkte; deshalb müssen bei der globalen Optimierung auch Randwerte geprüft werden.

- Lies zuerst das Optimum auf dem ursprünglich vollständigen Bereich ab. - Welche Teile des Graphen bleiben nach der neuen Bedingung überhaupt zulässig? - Suche das globale Maximum anschließend nur noch innerhalb dieses Teilintervalls.

1. Ohne Zusatzbedingung liegt der größte dargestellte Nutzen bei \(x=2\) mit \(N(2)=10\). 2. Dieser Wert ist nach der neuen Vorgabe nicht mehr zulässig. Im zulässigen Teil \(4\le x\le9\) liegt der höchste Punkt bei \(x=7\) mit \(N(7)=8\). 3. Die Einschränkung verschiebt das Optimum daher von \(x=2\) auf \(x=7\) und senkt den maximal erreichbaren Nutzen von \(10\) auf \(8\).

Ohne Zusatzbedingung: \(x=2\) mit \(N=10\). Mit \(4\le x\le9\): \(x=7\) mit \(N=8\).

- Suche zunächst den höchsten Punkt und ordne ihn zwischen benachbarten Gitterlinien ein. - Welche Genauigkeit kann eine Zeichnung mit endlicher Skalierung sinnvoll liefern? - Überlege, welche zusätzliche Information für einen exakten mathematischen Nachweis nötig wäre.

1. Der höchste Punkt des Graphen liegt zwischen \(x=3\) und \(x=4\), etwa bei \(x\approx3{,}7\). 2. Seine Höhe liegt etwas über \(9\), also bei ungefähr \(Z\approx9{,}2\). 3. Das Diagramm liefert nur eine grafische Darstellung mit endlicher Skalierung. Ohne Funktionsgleichung oder exakte Koordinaten des Hochpunkts kann die optimale \(x\)-Koordinate daher nur näherungsweise abgelesen, aber nicht exakt hergeleitet werden.

Aus der Abbildung ist etwa \(x\approx3{,}7\) mit \(Z\approx9{,}2\) vertretbar. Ein exakter Optimalwert ist allein aus der skalierten Zeichnung nicht beweisbar.

- Wie findet man Extrempunkte und Wendepunkte einer Funktion? - Was sagt die zweite Ableitung über die Krümmung des Graphen aus? - Stell dir die Sichtlinie als eine Gerade vor. Wann liegt eine Kurve unterhalb oder oberhalb einer Geraden? - Überlege, wie sich die Steigung des Profils vom Startpunkt aus entwickelt.

1. Ableitungen: \(g'(x) = 1 \cdot e^{-0{,}5x} + (x + 4) \cdot (-0{,}5) e^{-0{,}5x} = (1 - 0{,}5x - 2) e^{-0{,}5x} = (-0{,}5x - 1) e^{-0{,}5x}\). \(g''(x) = -0{,}5 e^{-0{,}5x} - 0{,}5(-0{,}5x - 1) e^{-0{,}5x} = (-0{,}5 + 0{,}25x + 0{,}5) e^{-0{,}5x} = 0{,}25x \cdot e^{-0{,}5x}\). 2. Gipfel: \(g'(x) = 0 \implies -0{,}5x - 1 = 0 \implies x = -2\). \(g(-2) = (-2 + 4) e^{1} = 2e \approx 5{,}44\). Gipfel bei \((-2 | 2e)\). 3. Steilstes Gefälle: Das Gefälle ist an den Wendepunkten oder den Rändern maximal. \(g''(x) = 0 \implies x = 0\). Steigung im Wendepunkt: \(g'(0) = -1 \cdot e^0 = -1\). Vergleich mit dem Rand \(x=6\): \(g'(6) = (-3 - 1) e^{-3} = -4 e^{-3} \approx -0{,}20\). Da \(g''(x)<0\) für \(x<0\) und \(g''(x)>0\) für \(x>0\) gilt, fällt \(g'\) bis \(x=0\) und steigt danach. Somit liegt die kleinste Steigung und damit das steilste Gefälle bei \(x=0\). 4. Sichtbarkeit: Die Verbindungslinie von \(P(-4|0)\) zum Gipfel \(S(-2|2e)\) hat die Steigung \(m = \frac{2e - 0}{-2 - (-4)} = \frac{2e}{2} = e \approx 2{,}72\). Die Tangentensteigung im Punkt \(P(-4|0)\) ist \(g'(-4) = (-0{,}5(-4) - 1) e^{2} = (2 - 1) e^2 = e^2 \approx 7{,}39\). Da die Steigung des Geländes am Startpunkt (\(e^2\)) größer ist als die Steigung der Sichtlinie (\(e\)), verläuft das Gelände zunächst oberhalb der Sichtlinie. Auf \([-4;-2]\) gilt \(g''(x)<0\), der Graph ist dort rechtsgekrümmt und liegt oberhalb seiner Verbindungssehne. Die Person kann den Gipfel daher nicht sehen.

a) Der Gipfel liegt bei \(x = -2\) mit den Koordinaten \((-2 | 2e)\approx(-2 | 5{,}44)\). b) Das steilste Gefälle befindet sich an der Stelle \(x = 0\). c) Nein, die Person kann den Gipfel nicht sehen. Da die Steigung des Geländes im Startpunkt (\(e^2 \approx 7{,}39\)) größer ist als die Steigung der direkten Verbindungslinie zum Gipfel (\(e \approx 2{,}72\)), wölbt sich der Hügel über die Sichtlinie.

- Bestimme zuerst die Steigung der Geraden mithilfe der gegebenen Punkte. - Stelle eine Funktion für die Differenz der beiden Funktionswerte auf. - Nutze die Ableitungsregeln für Logarithmusfunktionen, um Extremstellen zu finden. - Achte darauf, den Wert für \(x\) und den zugehörigen Differenzwert exakt (mit \(e\) und \(\ln\)) anzugeben.

1. Bestimmung der Geradensteigung durch \(O(0|0)\) und \(P(e-1|1)\): \(m = \frac{1 - 0}{e-1 - 0} = \frac{1}{e-1}\). 2. Aufstellen der Geradengleichung: \(g(x) = \frac{1}{e-1}x\). 3. Bildung der Differenzfunktion: \(d(x) = \ln(x+1) - \frac{1}{e-1}x\). 4. Bestimmung der ersten Ableitung: \(d'(x) = \frac{1}{x+1} - \frac{1}{e-1}\). 5. Nullsetzen der Ableitung: \(\frac{1}{x+1} = \frac{1}{e-1} \implies x+1 = e-1 \implies x = e-2\). 6. Überprüfung der zweiten Ableitung: \(d''(x) = -\frac{1}{(x+1)^2}\). Da \(d''(e-2) = -\frac{1}{(e-1)^2} < 0\), liegt ein Maximum vor. 7. Vergleich mit den Randwerten: \(d(0) = 0\) und \(d(e-1) = \ln(e) - \frac{e-1}{e-1} = 1 - 1 = 0\). 8. Berechnung des maximalen Werts an der Stelle \(x = e-2\): \(d(e-2) = \ln(e-2+1) - \frac{e-2}{e-1} = \ln(e-1) - \frac{e-2}{e-1}\).

a) \(g(x) = \frac{1}{e-1}x\) b) Die Differenz ist am größten für \(x = e-2\). Der maximale Wert beträgt \(\ln(e-1) - \frac{e-2}{e-1}\).

- Bestimme zunächst die waagerechte Asymptote, indem du den Grenzwert für große \(|x|\) betrachtest. - Warum kann ein maximales Rechteck seine obere Seite auf die Asymptote legen? - Wie helfen Symmetrie und das Verhalten von \(g\) mit wachsendem \(|x|\), die Lage des optimalen Rechtecks zu begründen? - Stelle danach die Flächenfunktion auf und untersuche sie auf dem Bereich \(x>0\).

1. Bestimmung der Asymptote: Für \(x \to \pm \infty\) geht \(e^{-x^2}\) gegen \(0\), also ist die waagerechte Asymptote \(y = 5\). 2. Der Graph ist achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse und \(g(x)\) wächst mit \(|x|\). Ein flächenmaximales Rechteck kann nach oben bis zur Asymptote erweitert werden. Für einen vorgegebenen maximalen Abstand \(x>0\) der vertikalen Seiten von der \(y\)-Achse ist die größte mögliche Breite \(2x\), die bei symmetrischer Lage erreicht wird; die untere Rechteckseite berührt dann den Graphen bei \(\pm x\). Die Höhe ist daher \(h(x) = 5 - g(x) = 4e^{-x^2}\). 3. Zielfunktion für den Flächeninhalt: \(A(x) = 2x \cdot 4e^{-x^2} = 8x e^{-x^2}\) für \(x>0\). 4. Erste Ableitung mit Produkt- und Kettenregel: \(A'(x) = 8e^{-x^2} + 8x e^{-x^2}(-2x) = 8e^{-x^2}(1 - 2x^2)\). 5. Notwendige Bedingung \(A'(x) = 0\): Da \(8e^{-x^2} \neq 0\), muss \(1 - 2x^2 = 0\) gelten. Dies liefert \(x^2 = 0{,}5\), also \(x = \sqrt{0{,}5} = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707\). 6. Hinreichende Bedingung: Ein Vorzeichenwechsel von \(A'(x)\) bei \(x = \frac{1}{\sqrt{2}}\) von Plus nach Minus bestätigt das Maximum. Da dies die einzige positive kritische Stelle ist und \(A(x)\to0\) für \(x\to0^+\) sowie \(x\to\infty\), ist das Maximum absolut. 7. Maximaler Flächeninhalt: \(A\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = 8 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot e^{-(1/\sqrt{2})^2} = \frac{8}{\sqrt{2}} e^{-0{,}5} = 4\sqrt{2} e^{-0{,}5} \approx 3{,}427\).

Der maximale Flächeninhalt beträgt \(4\sqrt{2} e^{-0{,}5} \approx 3{,}427\) Flächeneinheiten.