Bestimme den minimalen Abstand zwischen dem Punkt P = (0,1) ∈ R^2 und der Parabel E = {(x,y) ∈ R^2 : y = x^2}.
Finde einen Punkt Q = (x0,y0) in der Parabel (y0 = x^2, x0), in dem dieser minimale Abstand angenommen wird.
Gegeben:
Punkt P=(0,1)xp=0yp=1
Parabel y=x2
Gesucht:
Der mimimale Abstand von P zur Parabel am Punkt Q
Abstand Punkt und Parabel zum Quadrat:
d2=D=(y−yp)2+(x−xp)2|y=x2D=(x2−yp)2+(x−xp)2D=x4−2x2yp+y2p+x2−2xxp+x2pD=x4+x2(1−2yp)−x⋅2xp+x2p+y2p
Mimimale Abstand (Extrempunkt):
1. Ableitung null setzen, und 2. Ableitung muss > 0 sein.
1. Ableitung von D:
D=x4+x2(1−2yp)−x⋅2xp+x2p+y2pD′=4x3+2x(1−2yp)−2xp
1. Ableitung von D gleich null setzen:
D′=4x3+2x(1−2yp)−2xp=0|xp=0yp=14x3+2x(1−2⋅1)−2⋅0=04x3+2x(−1)=04x3−2x=0|:22x3−x=0x⋅(2x2−1)=0
Überprüfung der 3 Lösungen ob ein relatives Mimimum (D'' > 0) vorliegt.
2. Ableitung von D:
D′=4x3+2x(1−2yp)−2xpD″=12x2+2(1−2yp)−2xp|xp=0yp=1D″=12x2+2(1−2⋅1)−2⋅0D″=12x2+2(−1)D″=12x2−2
Die 3 Lösungen finden:
x⋅(2x2−1)=0x=0⇒x1=0 keine Lösung, da D″=12⋅0−2<02x2−1=0|+12x2=1|:2x2=12x=±√12x2=+√12x2=√22 eine Lösung, da D″=12⋅(√22)2−2>0x3=−√12x3=−√22 eine Lösung, da D″=12⋅−√22)2−2>0
Die beiden Punkte Q sind:
xq1=√22yq1=(√22)2=12xq2=−√22yq2=(−√22)2=12
Q1(√22,12)
Q2(−√22,12)

Der minimale Abstand beträgt:
√(0−√22)2+(1−12)2=√14=1√2=√22
