Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Extremwertaufgabe lösen
Abstand eines Punktes von einer Geraden Bei dieser Aufgabe bestimmst du als Extremwertaufgabe denjenigen Punkt der Geraden, der von einem gegebenen Punkt außerhalb der Geraden den kleinsten Abstand hat.
Der Zeichnung entnimmst du die Zielfunktion und die Nebenbedingung dieser Extremwertaufgabe.
Zielfunktion
Abstand der Punkte P PP und T TT .
Nebenbedingung
Der Punkt P PP liegt auf der Geraden
y = x + 1 y=x+1y = x + 1
T P ‾ 2 ( x P ; y P ) \displaystyle \overline{TP}^2(x_P;y_P)TP 2 ( x P ; y P ) = == ( 3 − x P ) 2 + ( y P + 1 ) 2 \displaystyle (3-x_P)^2+(y_P+1)^2( 3 − x P ) 2 + ( y P + 1 ) 2 ↓ Setze die Geradengleichung für y ein.
T P ‾ 2 ( x p ) \displaystyle \overline{TP}^2(x_p)TP 2 ( x p ) = == ( 3 − x p ) 2 + ( x p + 2 ) 2 \displaystyle (3-x_p)^2+(x_p+2)^2( 3 − x p ) 2 + ( x p + 2 ) 2 ↓ Quadriere aus
T P ‾ 2 ( x p ) \displaystyle \overline{TP}^2(x_p)TP 2 ( x p ) = == 9 − 6 x p + x p 2 + x p 2 + 4 x p + 4 \displaystyle 9-6x_p+x_p^2+x_p^2+4x_p+49 − 6 x p + x p 2 + x p 2 + 4 x p + 4 ↓ Fasse zusammen
T P ‾ 2 ( x p ) \displaystyle \overline{TP}^2(x_p)TP 2 ( x p ) = == 2 ( x p ) 2 − 2 x p + 13 \displaystyle 2(x_p)^2-2x_p+132 ( x p ) 2 − 2 x p + 13 \displaystyle \sqrt{} ↓ Ziehe die Wurzel
T P ‾ ( x P ) \displaystyle \overline{TP}(x_P)TP ( x P ) = == 2 ( x P ) 2 − 2 x P + 13 \displaystyle \sqrt{2(x_P)^2-2x_P+13}2 ( x P ) 2 − 2 x P + 13
Beachte für Extremwertaufgaben mit einer Abstandsbedingung:
Für alle Punkte, für die der Abstand minimal oder maximal wird, ist auch das Quadrat des Abstandes minimal bzw. maximal, da gilt:
0 < T P 1 ‾ < T P 2 ‾ ⇔ T P 1 ‾ 2 < T P 2 ‾ 2 0 < \overline{TP_1} < \overline{TP_2} \;\Leftrightarrow \;\overline{TP_1}^2 < \overline{TP_2}^20 < T P 1 < T P 2 ⇔ T P 1 2 < T P 2 2 .
Da die Ableitung für T P ‾ 2 \overline{TP}^2TP 2 bequemer zu berechnen ist, als für T P ‾ \overline{TP}TP (keine Wurzel!), benutzt man als Zielfunktion ab hier das Quadrat des Abstandes.
T P ‾ 2 ( x P ) \displaystyle \overline{TP}^2(x_P)TP 2 ( x P ) = == 2 ( x P ) 2 − 2 x P + 13 \displaystyle 2(x_P)^2-2x_P+132 ( x P ) 2 − 2 x P + 13 ↓ Bilde die Ableitung
T P ‾ 2 ( x P ) ′ \displaystyle \overline{TP}^2(x_P)'TP 2 ( x P ) ′ = == 4 x P − 2 \displaystyle 4x_P-24 x P − 2 ↓ Setze die Ableitung gleich Null
0 \displaystyle 00 = == 4 x P − 2 \displaystyle 4x_P-24 x P − 2 + 2 \displaystyle +2+ 2 2 \displaystyle 22 = == 4 x P \displaystyle 4x_P4 x P : 4 \displaystyle :4: 4 0,5 \displaystyle 0{,}50 , 5 = == x p \displaystyle x_px p
Berechne die 2. Ableitung der Zielfunktion, um dich zu versichern, dass x P = 0,5 x_P=0{,}5x P = 0 , 5 ein Minimum des Quadrats des Abstandes liefert.
T P ‾ 2 ( x P ) ′ ′ = + 4 > 0 \overline{TP}^2(x_P)''=+4>0TP 2 ( x P ) ′′ = + 4 > 0
⇒ x P = 0,5 \Rightarrow x_P=0{,}5⇒ x P = 0 , 5
liefert Minimum . \text{liefert Minimum}.liefert Minimum .
Bestimme jetzt aus der Nebenbedingung y P y_Py P :
y P = 0,5 + 1 = 1,5 y_P=0{,}5+1=1{,}5y P = 0 , 5 + 1 = 1 , 5
⇒ \Rightarrow⇒ P ( 0,5 ∣ 1,5 ) P(0{,}5|1{,}5)P ( 0 , 5∣1 , 5 ) ist der gesuchte Punkt.
Berechne abschließend T P ‾ \overline{TP}TP , nicht nur T P ‾ 2 \overline{TP}^2TP 2 !!
Ergebnis:
Der minimale Abstand des Punktes T ( 3 ∣ − 1 ) T(3|-1)T ( 3∣ − 1 ) von der Geraden y = x + 1 y=x+1y = x + 1 beträgt:
T P ‾ LE = 2 ⋅ 0,25 − 2 ⋅ 0,5 + 13 LE = 12,5 LE ≈ 3,54 LE . \overline{TP}\,\text{LE}=\sqrt{2\cdot 0{,}25-2\cdot 0{,}5+13}\,\text{LE}=\sqrt{12{,}5}\,\text{LE}\approx 3{,}54\,\text{LE}.TP LE = 2 ⋅ 0 , 25 − 2 ⋅ 0 , 5 + 13 LE = 12 , 5 LE ≈ 3 , 54 LE .
Alternative Lösung Ohne Kenntnisse aus der Differenzialrechnung kannst du die Aufgabe auch mit einer geometrischen Überlegung lösen:
Der gesuchte Punkt der Geraden g gg mit kleinstem Abstand zum Punkt T TT ist der Lotfußpunkt F FF vom Punkt T TT auf die Gerade g gg .
Er kann
a) als Gleitpunkt auf der Geraden oder
b) als Schnittpunkt zweier Geraden
berechnet werden.
a) Der Lotfußpunkt F FF als Gleitpunkt auf g gg .
Wenn die Strecke [ A F ] [AF][ A F ] auf der Geraden g gg senkrecht stehen soll, muss für deren Steigungen m [ T F ] m_{[TF]}m [ TF ] und m g m_gm g gelten :
m [ T F ] ⋅ m g = − 1 \color{red}{m_{[TF]}\cdot m_g=-1}m [ TF ] ⋅ m g = − 1 .
Also:
y F + 1 x F − 3 ⏟ = m [ T F ] ⋅ 1 ⏟ = m g \displaystyle \underbrace{\dfrac{y_F+1}{x_F-3}}_{\color{red}{=\;m_{[TF]}}}\cdot \underbrace{1}_{\color{red}{=\,m_g}}= m [ TF ] x F − 3 y F + 1 ⋅ = m g 1 = == − 1 \displaystyle -1− 1 ↓ Setze die Geradengleichung für y ein
x F + 2 x F − 3 \displaystyle \dfrac{x_F+2}{x_F-3}x F − 3 x F + 2 = == − 1 \displaystyle -1− 1 ⋅ ( x F − 3 ) \displaystyle \cdot (x_F - 3)⋅ ( x F − 3 ) x F + 2 \displaystyle x_F + 2x F + 2 = == − x F + 3 \displaystyle -x_F + 3− x F + 3 + x F − 2 \displaystyle + x_F -2+ x F − 2 2 x F \displaystyle 2x_F2 x F = == 1 \displaystyle 11 : 2 \displaystyle :2: 2 x F \displaystyle x_Fx F = == 0,5 \displaystyle 0{,}50 , 5
b) Der Lotfußpunkt F FF liegt auf der Geraden g gg , seine x-Koordinate hast du gerade berechnet, die y-Koordinate erhältst du durch einsetzen in g gg :
y \displaystyle yy = == x + 1 \displaystyle x+ 1x + 1 y \displaystyle y y = == 0,5 + 1 \displaystyle 0{,}5 + 10 , 5 + 1 y \displaystyle yy = == 1,5 \displaystyle 1{,}51 , 5
Im nachfolgenden Applet kannst du die Rechnung überprüfen, indem du den Geradenpunkt F FF verschiebst.
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