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Aufgabe:

Bestimmen Sie k∈ℝ so, dass die von den Graphen der Funktionen f und g eingeschlossenen Fläche den Flächeninhalt A hat. Fertigen Sie dazu eine Skizze an und erläutern Sie daran den Einfluss des Parameters k.

a) f(x)=x3 ; g(x)=2kx2-k2x ; A=\( \frac{4}{3} \)


Problem/Ansatz:

Beim Zeichnen der Skizze hatte ich schon Schwierigkeiten wegen des Parameter k. Ich hatte für k einfach 2 eingesetzt und dieses dann vom Taschenrechner abgezeichnet.

Anschließend habe ich versucht die Schnittstellen der Graphen zu berechnen indem ich die Funktionen gleichsetze. Aber auch hier hat mich k sehr verwirrt. Letztendlich habe ich die Schnittstellen 0; \( \frac{2k^2}{4} \) ; 0 herausbekommen.

Ist der Ansatz so richtig?

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Hallo,

die Schnittstellen sind bei x = 0 und x = k.

Okay, danke. Ich kann das aber noch nicht genau nachvollziehen wie man das genau berechnen muss, sodass man auf die Ergebnisse kommt

2 Antworten

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Beste Antwort

Aloha :)

Du benötigst zunächst die Schnittpunkte der beiden Funktionen. Die bekommst du, indem du beide Funktionen gleich setzt:

$$\left.x^3=2kx^2-k^2x\quad\right|\;-2kx^2+k^2x$$$$\left.x^3-2kx^2+k^2x=0\quad\right|\;x\text{ ausklammern}$$$$\left.x(x^2-2kx+k^2)=0\quad\right|\;2\text{-te binomische Formel}$$$$\left.x(x-k)^2=0\quad\right|\;\text{Satz vom Nullprodukt}$$$$x_1=0\quad;\quad x_2=k$$Die Fläche zwischen den beiden Funktionen bekommst du also, indem du die Differenz der Funktionen von \(0\) bis \(k\) integrierst. Die Betragstriche sorgen dafür, dass wir als Fläche immer eine positive Zahl erhalten, auch wenn die Fläche unterhalb der \(x\)-Achse liegen sollte.

$$F=\left|\int\limits_0^k\left(\,f(x)-g(x)\,\right)dx\right|=\left|\int\limits_0^k\left(\,x^3-2kx^2+k^2x\,\right)dx\right|$$$$\phantom{F}=\left|\left[\frac{x^4}{4}-\frac{2k}{3}x^3+\frac{k^2}{2}x^2\right]_{x=0}^k\right|=\left|\frac{k^4}{4}-\frac{2k^4}{3}+\frac{k^4}{2}\right|$$$$\phantom{F}=k^4\left|\frac{1}{4}-\frac{2}{3}+\frac{1}{2}\right|=k^4\left|\frac{3}{12}-\frac{8}{12}+\frac{6}{12}\right|=\frac{k^4}{12}$$Du sollst \(k\) nun so bestimmen, dass die Fläche \(F=A=\frac{4}{3}\) ist:$$\frac{4}{3}=F=\frac{k^4}{12}\quad\Leftrightarrow\quad k^4=16\quad\Leftrightarrow\quad k=\pm2$$Es gibt also 2 Werte für \(k\), nämlich \(k=2\) und \(k=-2\), die die Fläche \(\frac{4}{3}\) ergeben.

~plot~ x^3 ; 2*2*x^2-2^2*x ; {0|0} ; {2|8} ; [[-2|3|-2|12]] ~plot~

Avatar von 148 k 🚀

Vielen Dank :)


Welchen Einfluss hat k nun? Verändert k den Flächeninhalt?

Die Fläche ist ja \(F=\frac{k^4}{12}\). Wegen der 4-ten Potenz hat \(k\) einen sehr starken Einfluss auf den Flächeninhalt. Verdoppelt sich \(k\), so wird die Fläche 16-mal größer.

Alles klar, vielen Dank!

Wieso muss man die 2. Bin. Formel anwenden und wie kommt auf x(x-k)2=0?

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Du setzt die Funktionen, wie du schon gesagt hast, gleich:

$$x^3=2kx^2-k^2x\\ x^3-2kx^2+k^2x=0\\ x(x^2-2kx+k^2)=0\\ x=0 \quad ∨\quad \\ x^2-2kx+k^2=0\\ x_{2,3}=k\pm\sqrt{k^2-k^2}\Rightarrow x_2=k$$

Jetzt klar?

Avatar von 40 k

Ja vielen Dank :)

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