Archiv für April, 2010

Häufige Fehler bei der Kurvendiskussion


26 Apr
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Hier mal eine kleine Liste von Fehlern bei der Kurvendiskussion, die ich öfter entdeckt habe:

  1. Nullstellensuche in falscher Funktion: Wenn Ihr wissen wollt, wo der Graph von die x-Achse schneidet, braucht Ihr die Nullstellen von selbst. Sucht Ihr nach Extrema, bestimmt Ihr die Nullstellen der ersten Ableitung (und setzt dann in ein um zu prüfen). Geht es um Wendepunkte, sind die Nullstellen der zweiten Ableitung gefragt (einsetzen in ). Wer hier die falsche Funktion oder Ableitung für eine bestimmte Aufgabe verwendet, kommt nirgendwohin.
  2. Einfache Fehler beim Ableiten: Die Kurvendiskussion funktioniert nur, wenn Ihr das Handwerkszeug richtig einsetzen könnt: das Bilden der Ableitungen. Beliebte Fehler beim Ableiten: „Stehen-lassen” eines konstanten Terms (z. B. ist falsch), Parameter in Funktion falsch behandelt (z. B. ist falsch), im Technikzweig: Produkt-, Ketten- oder Quotientenregel falsch benutzen. (weiterlesen…)

Tipp: Eine Nullstelle findet man immer


25 Apr
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Bei der Kurvendiskussion müsst Ihr ständig Nullstellen suchen — je nach Aufgabenstellung von der Funktion selbst, von der ersten Ableitung (um Extremwerte zu finden) und von der zweiten Ableitung (für die Wendepunkte).

Funktion mit drei Nullstellen

Eine Funktion mit drei Nullstellen

Sucht Ihr Nullstellen einer quadratischen Funktion, hilft ja die Mitternachtsformel (oder „scharfes Hinsehen”, wenn die Funktion z. B. die Form oder hat), doch bei Funktionen dritten und höheren Grades müsst Ihr oft eine Nullstelle erraten und dann Polynomdivision durch machen.

In Prüfungsaufgaben, wo das nötig ist, ist meist mindestens eine Nullstelle „gutartig” in dem Sinne, dass man sie ganz schnell findet, also z. B. , etc. Wenn Euer Taschenrechner Wertetabellen zu Funktionen erzeugen kann, gebt Ihr einfach die Funktion ein und lasst Euch mal die Funktionswerte anzeigen, die bei ganzzahligen x-Werten zwischen -5 und 5 rauskommen.

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Zusammenfassung: Die Wurzelfunktion


23 Apr
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Wurzeln sind ja nicht sonderlich spektakulär: , , und bei Zahlen, die nicht das Quadrat eines Bruches sind, kommt halt eine Zahl mit vielen (sogar unendlich vielen) Nachkommastellen heraus, etwa .

Ordnen wir jeder Zahl x ihre Wurzel zu, haben wir eine neue Funktion . Zeichnen wir ihren Funktionsgraph und dazu noch den von , dann ergeben beide Graphen zusammen eine um 90 Grad nach rechts gedrehte Normalparabel (siehe Bild).

Oben die positive Wurzel, unten die negative -- das sind zwei Funktionen!

Das liegt daran, dass das Wurzelziehen und das Quadrieren in einer besonderen Beziehung zueinander stehen: Solange wir nur nichtnegative Zahlen betrachten (, also ), ist die Umkehrfunktion zu . Das bedeutet: und für alle .

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Negative Flächen — Integration


16 Apr
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Häufig verwendet man die Integralrechnung, um Flächen zu berechnen, die zwischen dem Graph einer Funktion und der x-Achse liegen. Wenn Ihr dabei unvorsichtig seid, können falsche Ergebnisse rauskommen — dazu ein paar Beispiele:

Integral von 0 bis 1

f(x)=x, Integral von 0 bis 1: Fläche 0,5

Zunächst den Fall, in dem alles klappt. Wir wollen den Flächeninhalt des Dreiecks berechnen, das durch die Punkte (0; 0) (Ursprung), (1; 0) und (1; 1) begrenzt wird. Das Ergebnis sollte 0,5 sein, denn es ist ein durch die Diagonale „abgeteiltes” Quadrat mit Kantenlänge 1. Diese Diagonale können wir als Graph der einfachen Funktion f(x)=x auffassen, die Abbildung zeigt den Funktionsgraph und das Dreieck, das zwischen der Geraden und der x-Achse entsteht. Den Flächeninhalt bekommen wir dann über

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Tipp: Öffnungsfaktor von quadratischer Funktion


08 Apr
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Bei linearen Funktionen könnt Ihr die Steigung der Geraden im Graph ja leicht über das Steigungsdreieck bestimmen, z. B.

  • 1 nach rechts, 3 nach oben: Steigung 3.
  • 1 nach rechts, 1,5 nach unten: Steigung -1,5.
  • 3 nach rechts, 1 nach oben: Steigung 1/3.
Öffnungsfaktor

1 nach rechts und 1,5 nach oben

Das funktioniert — ähnlich — auch bei Parabeln. Hier könnt Ihr vom Scheitelpunkt des Graphen aus auch eins nach rechts und dann nach oben/unten zum Graph gehen. Der Öffnungsfaktor a ist dann der Weg, den Ihr nach oben zurückgelegt habt (wenn es nach unten ging, ist a negativ). Das klappt aber nur, wenn Ihr genau 1 nach rechts geht.

Für die ganz einfache Funktion f(x)=ax^2 ist das sofort klar: Da ist der Scheitelpunkt (0; 0), und wenn man 1 nach rechts geht (also x=1), erhält man als y-Koordinate y=f(1)=a \cdot 1^2=a.

Es funktioniert aber auch mit beliebigen quadratischen Funktionen — Ihr müsst nur immer vom Scheitelpunkt ausgehen. Warum das klappt, zeigt folgende Rechnung (die Ihr nicht unbedingt nachvollziehen müsst; es reicht, den „Trick” zu kennen): (weiterlesen…)

Wendepunkte sind Extrema — von f’


07 Apr
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Wenn Ihr schon ein paar Aufgaben zur Kurvendiskussion gelöst habt, ist Euch sicher aufgefallen, dass die Suche nach Extremwerten und die Suche nach Wendepunkten ganz ähnlich funktionieren: Einmal Nullstellen von f'(x) suchen und in f''(x) einsetzen, einmal Nullstellen von f''(x) und in f'''(x) einsetzen (oder statt einsetzen jeweils eine Vorzeichenwechseltabelle von f'(x) bzw. f''(x) anlegen).

Die Ähnlichkeit hat einen Grund: Wendepunkte von f(x) sind Extrema von f'(x). Was bedeutet das anschaulich?

f'(x) beschreibt ja die Steigung der Funktion an jeder Stelle. Hat f'(x) jetzt z. B. ein Maximum bei x_0, dann heißt das, dass die Steigung von links kommend bis x_0 immer größer und danach wieder kleiner wird. Zunehmende Steigung bedeutet aber Linkskrümmung, abnehmende Steigung Rechtskrümmung — also gibt es im Punkt der maximalen Steigung einen Wendepunkt (von links- nach rechtsgekrümmt)!

Beispiel: f(x)=-x^3 mit Ableitung f'(x)=-3x^2 — die Ableitung hat bei 0 ein Maximum, und die Funktion wechselt bei 0 die Krümmung von links nach rechts.

Zusammenfassung: Quadratische Funktionen


07 Apr
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In diesem Beitrag fasse ich alle wichtigen Punkte zu quadratischen Funktionen zusammen; wenn Euch beim Lesen alles klar ist, seid Ihr (fast) fit für Prüfungen über dieses Thema — ein bisschen Praxis im Rechnen mit diesen Funktionen vorausgesetzt :)

Definition: Eine Funktion f(x)=ax^2+bx+c mit a,b,c \in \mathbb R und a \neq 0 heißt quadratische Funktion. Die Bedingung a \neq 0 ist wichtig, weil f sonst nur eine lineare Funktion wäre.

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Zusammenfassung: Lineare Funktionen


06 Apr
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In diesem Beitrag fasse ich alle wichtigen Punkte zu linearen Funktionen zusammen; Ihr könnt ihn z. B. zur Prüfungsvorbereitung lesen und Euch fragen: Sind mir alle Punkte klar?

Allgemeine Definition:
Eine Funktion heißt linear, wenn sie die Form f(x)=mx+t mit konstanten Zahlen m, t \in \mathbb R hat. Es ist auch m=0 zugelassen, dann ist die Funktion konstant (=t), aber immer noch linear. (Das ist anders als bei den quadratischen!)

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Tipps zu Prüfungsaufgaben


06 Apr
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Als ich Mathe an der FOS unterrichtet habe, ist mir bei schriftlichen Prüfungen oft aufgefallen, dass manche Aufgabe nur von ganz wenigen Schülern bearbeitet wurde, obwohl sie nicht besonders schwer war. Meist war es dann so, dass sie einfach anders formuliert war als wir es vorher im Unterricht geübt hatten.

Mein Tipp ist darum: Schaut Euch alle Aufgaben — auch und gerade die, die „unbekannt” wirken — sorgfältig an und versucht zu verstehen, worum es in der Frage geht. Ein Beispiel dafür aus der 12. Klasse: Die Aufgabe

Finden Sie die relativen Extrema und Terrassenpunkte der Funktion.

(Teil der Kurvendiskussion) kann man auch als

Finden Sie die x-Werte, an denen der Funktionsgraph eine waagerechte Tangente hat, und geben Sie an, ob hier ein Extremum oder ein Terrassenpunkt vorliegt.

formulieren. Wenn Ihr „waagerechte Tangente” seht, dann fragt Euch: Was bedeutet das? Waagerecht — welche Steigung hab ich da? Ah, die Steigung muss 0 sein (sonst wär die Tangente nicht waagerecht). Also Nullstellen der Ableitung…

Gerade Aufgaben, die von den Standardmustern abweichen, sind oft viel einfacher als man auf den ersten Blick meint — der Sinn solcher Aufgaben ist, herauszufinden, ob Ihr mit den mathematischen Begriffen wirklich umgehen könnt oder nur „Muster” erkennt, also Standardaufgaben anwendet.

Das mit den „Mustern” ist ohnehin problematisch; so hab ich z. B. in der 11. Klasse oft gesehen, dass Schüler versucht haben, mit der Mitternachtsformel eine lineare (!) Gleichung zu lösen, und dann bei mx+t mit a=m, b=t, c=0 gerechnet haben. Das „Muster” war dann „quadratische Gleichung”, aber es passte nicht…

Venn-Diagramme


06 Apr
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Venn-Diagramme helfen in der Wahrscheinlichkeitsrechnung dabei, Zusammenhänge zwischen zwei Ereignissen grafisch zu veranschaulichen. Die folgende Grafik zeigt alle möglichen Ereignisse, die Ihr aus zwei Ereignissen A und B durch Vereinigen, Schneiden und Bilden des Gegenereignisses bilden könnt. Rot markiert sind dabei die sich jeweils ergebenden Teilmengen, also z. B. im zweiten Bild in der ersten Zeile A \cap B. Unter jedem Bild steht, wie man das Ereignis aus A und B erhält.

Venn-Diagramme

Das Formelsymbol \oplus steht für das „ausschließende Oder”  (auch: „exklusives Oder”, „XOR”) und bedeutet „entweder A oder B” — das dürft Ihr nicht mit „A oder B” (A \cup B) verwechseln: Beim ausschließenden Oder gilt x \in A \oplus B wenn x entweder Element von A oder von B ist, nicht aber von beiden!

Die Abbildung stammt von der Wikipedia-Seite zu Venn-Diagrammen (Autor: Tilman Piesk), ich habe die dort zu findenden Bildunterschriften auf Mengen/Ereignisse angepasst.

FOS-Mathe-Trainer

Hilfe für den Mathe-Unterricht an der FOS