Am Beispiel eines senkrechten Raketenfluges wollen wir ein weiteres Optimierungsproblem lösen.
Problem

Gegeben sei eine Rakete, die senkrecht starten soll. Zum Zeitpunkt 



Wir wollen den Senkrechtstart vereinfacht mathematisch beschreiben und mithilfe dieses Modells ausrechnen, wie hoch der Treibstoffdurchsatz sein muss, damit die Rakete so hoch wie möglich fliegt.
Dabei muss beachtet werden, dass sich nur Treibstoff mit der Masse 
Modellierung
Als Erstes müssen die Bewegungsgleichungen aufgestellt werden.
Unter einer Bewegungsgleichung versteht man eine mathematische Gleichung oder auch ein Gleichungssystem, die die räumliche und zeitliche Entwicklung eines mechanischen Systems vollständig beschreibt. (Wikipedia)
Uns interessiert vor allem die Höhe der Rakete. Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass die Änderung der Höhe bei senkrechtem Flug der Geschwindigkeit entspricht.

Aber ist dadurch das System schon vollständig beschrieben? Nein, da sich die Geschwindigkeit der Rakete mit der Zeit auch verändert. Dazu nehmen wir an, dass der Schub 



wobei 

da die Rakete genau um den Treibstoffdurchsatz leichter wird. Dieser ändert sich nicht mit der Zeit, also ist unser System nun vollständig. Wirklich rechnen können wir allerdings mit unseren Bewegungsgleichungen noch nicht. Denn die Ableitungen lassen sich ohne weiteres nicht in die jeweiligen Funktionen einsetzen.
Zuerst bestimmen wir 



Dieses Ergebnis können wir jetzt in die Gleichung von 



Bei dieser Rechnung müssen wir ein paar Tricks benutzen. Einer davon ist, anstatt 




und wir sehen sofort, dass sich das rechte Integral sehr leicht lösen lässt. Das linke Integral kann mithilfe von Substitution (oder einer geeigneten Formelsammlung) gelöst werden, da 

was auch definiert ist, weil wir keine 


Im letzten Schritt setzen wir unsere Lösung für 


Die Lösung dieses Integrals bedarf einer etwas längeren Rechnung die im Anhang am Ende der Seite ausgeführt wird. Das Ergebnis ist

Damit haben wir eine Funktion 

Lösung
Die Dynamik der Rakete haben wir erfolgreich modelliert. Weiter geht es mit der Lösung des Problems. Wir haben die Gleichung der Höhe in Abhängigkeit von Zeit und gewähltem Treibstoffdurchsatz, aber wir wollen nur den Treibstoffdurchsatz 



und wir können die Höhe 

Die Höhe hängt jetzt nur noch vom Treibstoffdurchsatz 

Damit ergibt sich für unsere Zielfunktion

Die Funktion 



Nun prüfen wir die hinreichende Bedingung für ein Maximum. Dazu bilden wir die zweite Ableitung und setzen die Nullstelle der ersten Ableitung ein

Damit ist gezeigt, dass sich bei 



Beispiel mit realen Werten
In Bearbeitung
Ungenauigkeiten des Modells
Es ist wichtig darüber nachzudenken, wo unser Modell ungenau ist, damit wir die Ergebnisse richtig interpretieren können.
Einen Fehler machen wir beispielsweise bei der Annahme, dass die Erdbeschleunigung 


Unser Modell berücksichtigt auch nur einen Treibstofftank, der nicht abgeworfen werden kann. Bei einem Spaceshuttle beispielsweise gibt es einen Außentank und zwei Feststoffbooster (Raketen), die abgeworfen werden, sobald sie nicht mehr benötigt werden, wie man bei diesem YouTube Video zum Space-Shuttle Start sehen kann.
Das verändert natürlich die Masse der Rakete.
Dies waren nur Beispiele für Fehler in unserem Modell. Fallen Ihnen weitere Ungenauigkeiten ein?
Anhang
Berechnung von

Die Summanden des Integrals werden einzeln berechnet, und wir benutzen 

Mit partieller Integration (1), Addition von 

