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Aufgabe:

Es soll ein rechteckiges Spielfeld mit den Seitenlängen a und b gebildet werden.

An zwei gegenüberliegenden Seiten des Spielfelds wird je ein Halbkreis angelegt, der nahtlos mit der Seite des Spielfeldes abschließt.

Um Spielfeld und Halbkreise herum soll eine Laufbahn angelegt werden.

Die Fläche F des rechteckigen Spielfeldes soll die konstante Größe 7 haben.

Was ist die minimale Länge L, die die so konstruierte Laufbahn haben kann?

Runden Sie Ihr Ergebnis auf zwei Stellen hinter dem Komma


Problem/Ansatz:

… was ist die minimale Länge

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Hallo Flexzunder, deine Aufgabenstellung war etwas unübersichtlich geschrieben und ich habe sie geändert.

Stimmt jetzt alles so bzw. entspricht der originalen Aufgabenstellung?

2 Antworten

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Beste Antwort

F = 2·a·r --> r = F/(2·a)


L = 2·a + 2·pi·r = 2·a + 2·pi·(F/(2·a)) = 2·a + pi·F·a^(-1)

L' = 2 - pi·F·a^(-2) = 0 → a = √(pi/2·F)


L = 2·√(pi/2·F) + pi·F·(√(pi/2·F))^(-1) = √(8·pi·F)


Für Deine spezielle Aufgabe kannst du jetzt für F = 7 einsetzen

L = √(8·pi·7) = 13.26 

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Aloha :)

Wir wählen die Bezeichnungen der Rechteck-Seiten \(a\) und \(b\) so, dass die Halbkreise an die Seiten mit der Länge \(a\) angebracht werden. Dann ist deren Radius \(r=\frac a2\).

Die Situation gibt uns die Rahmenbedingung \(a\cdot b=7\) vor, unter der die Länge \(L\) der Laufbahn minimiert werden soll. Diese Länge entspricht dem Umfang von 2 Halbkreisen mit Radius \(r=\frac a2\) bzw. dem Umfang eines ganzen Kreises mit demselben Radius und 2-mal der Seitenlänge \(b\) des Rechtecks:$$L=2\pi\cdot\frac a2+2b=\pi a+2b$$Wegen \(a\cdot b=7\) können wir darin \(b=\frac 7a\) einsetzen:$$L(a)=\pi a+\frac{14}{a}\to\text{Minimum}$$

In den Nullstellen der ersten Ableitung finden wir alle Kandidaten für Extrema:$$L'(a)=\pi-\frac{14}{a^2}\stackrel!=0\quad\implies\quad a=\sqrt{\frac{14}{\pi}}$$Wir prüfen noch kurz den Kandidaten durch Einsetzen in die zweite Ableitung:$$L''(a)=\frac{28}{a^3}>0\implies\text{Minimum}\quad\checkmark$$

Die minimale Länge der Laufbahn beträgt daher:$$L_{\text{min}}=L\left(\sqrt{\frac{14}{\pi}}\right)=\pi\cdot\sqrt{\frac{14}{\pi}}+\frac{14}{\sqrt{\frac{14}{\pi}}}=2\sqrt{14\pi}=13,26\,\mathrm m$$

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