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Eine Sammlung von 3D-Modellen (Objekt # 06)

Alle hier dargestellten 3D-Objekte können Sie durch Ziehen mit Ihrer Maus bewegen!

Extrema unter Nebenbedingungen:

Das Modell stellt den Graph der Funktion \[ f\colon \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R} \colon (x,y) \mapsto xy^2 \] im Ausschnitt \(\{(x,y)\in \mathbb{R}^2 |\;\sqrt{x^2+y^2} \leq \frac65\}\) dar. Die \(x\)- und die \(y\)-Achse (grau) bilden die Nullstellenmenge von \(f\). Thema des Modells sind die Extrema von \(f\) unter folgenden Nebenbedingungen (jeweils farbig markiert):

  • blauer Kreis:
    \(x^2+y^2=1\),
  • roter Kreis:
    \( x^2+\left(y+\tfrac12\right)^2=\tfrac14\),

  • pink gefärbte Parabel: \(y=x^2\),
  • violett gefärbte Parabel: \(x=y^2\),

  • rote Hyperbel: \( x^2-y^2=1 \),
  • grüne Hyperbel: \(-x^2+y^2=1\).

Leitfragen

(Alle Fragen beziehen sich auf \(f\) als auf ganz \(\mathbb{R}^2\) definierte Funktion.)
  • Welche Achse ist die \(x\)- und welche die \(y\)-Achse?
  • Besitzt \(f\) kritische Stellen? Besitzt \(f\) lokale oder globale Extrema (ohne Nebenbedingung)?
  • Welche Punkte liefert die Multiplikator-Methode nach Lagrange als Kandidaten für Extrema von \(f\) auf dem Einheitskreis?
  • Was ergibt sich analog für die anderen Nebenbedingungen?
  • Für welche der obigen Nebenbedingungen ist der Satz vom Minimum und Maximum zur Typbestimmung der Extrema anwendbar? Wie lässt sich der Typ alternativ bestimmen?
  • Welche weitere Möglichkeit neben der Methode nach Lagrange gibt es zur Berechnung von Extrema von \(f\) unter obigen Nebenbedingungen?
  • An der Stelle \(\binom xy=\binom00\) besitzt \(f\) ohne Nebenbedingung einen Sattelpunkt. Was ergibt sich jeweils bei Hinzunahme einer Nebenbedingung, die eine der beiden Parabeln beschreibt? Hilft hier die Hesse-Matrix von \(f\) an der Stelle \(\binom00\) weiter?
Für den Fall, dass Ihr Browser keine x3d-Grafiken verwerten kann, hier noch drei Standbilder (die sich nicht bewegen lassen):

Standbild: Extrema unter Nebenbedingungen Standbild: Extrema unter Nebenbedingungen Standbild: Extrema unter Nebenbedingungen