Niveaulinien

Niveaulinien Definition

Hat man eine Funktion mit mehreren Variablen wie zum Beispiel f(x, y) = x2 + y3, kann man die Frage stellen, welche Werte von x und y aus dem Definitionsbereich der Funktion zum Beispiel zu einem Funktionswert von 0 (oder einem anderen festen Funktionswert wie 3 oder 50) führen.

Beispiel

Beispiel: Niveaulinien

Die Funktion sei:

$$f(x, y) = x^2 + y^3$$

Unter anderem führen folgende x- und y-Werte zu einem Funktionswert von 0:

f(0,0) = 02 + 03 = 0 + 0 = 0.

f(1,-1) = 12 + (-1)3 = 1 + (-1) = 0.

f(8,-4) = 82 + (-4)3 = 64 + (-64) = 0.

Das sind einige Punkte; die Niveaulinie bestimmt alle aus x und y bestehenden Punkte des Definitionsbereichs, die den konstanten Wert ergeben.

Niveaulinie bestimmen

Dazu löst man die Gleichung f(x, y) = x2 + y3 = 0 nach y auf:

$$y^3 = -x^2$$

$$y = \sqrt[3]{-x^2}$$

Damit kann man dann beliebige andere (x, y) - Kombinationen finden, die den Wert ergeben, zum Beispiel wenn man x mit 3 vorgibt und y dann berechnet als:

$$y = \sqrt[3]{-3^2} = \sqrt[3]{-9} = -2,08$$

(Da die 3. Wurzel einen ungeraden Grad hat (wie auch die 5. oder 7. Wurzel), kann man hier – mathematisch umstritten – auch von negativen Zahlen die Wurzel ziehen und das Ergebnis ist ebenfalls negativ).

Kontrolle:

f(3, -2,08) = 32 + (-2,08)3 = 9 + (-9) = 0 (Kleine Rundungsdifferenzen).

So finden wir natürlich auch die obige 3. Kombination; wir setzen x auf 8 und dann ist y:

$$y = \sqrt[3]{-8^2} = \sqrt[3]{-64} = -4$$

Es gibt unendlich viele Möglichkeiten, x zu setzen (oben haben wir jeweils nur natürliche Zahlen genutzt) und daraus ergeben sich unendlich viele y-Werte. All die vielen Kombinationen kann man mit einem Funktionsplotter in einer Grafik abbilden.

Interpretation

Wenn die obige Funktion eine Produktionsfunktion wäre und x für Maschinenstunden stehen würde und y für Arbeitsstunden eines Arbeiters, könnte man so darstellen, mit welchen Kombinationen aus Maschinen- und Arbeitsstunden sich ein Output von beispielsweise 100 (hergestellte Stück) erzielen ließe:

$$x^2 + y^3 = 100$$