Archiv des Themengebiets „Analysis (FOS 12)“

Funktionen mit Parameter


12 Mai
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Eine Funktion dritten Grades mit Parameter

Wenn eine Funktion f(x) in ihrer Definition auch einen Parameter t (oder k oder noch anders benannt) enthält, schreibt man f_t(x) statt f(x). Der Parameter sollte zunächst nicht weiter stören: Alles, was man mit „normalen” Funktionen machen kann, geht auch mit Parameterfunktionen, z. B. die Ableitung ausrechnen, etwa so:

Bei der Kurvendiskussion müsst Ihr dann aber aufpassen, weil z. B. die Existenz von Nullstellen (der Funktion oder der 1. oder 2. Ableitung) vom Parameter abhängig sein kann. Wählt man z. B. in obiger Funktion den Parameter t=0, dann hat die Ableitung {f_0}'(x) = 3x^2 + 4 keine Nullstelle, und f_0(x) damit keine Extrema.

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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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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.

Geometrische Grundformen für Optimierungsprobleme


04 Apr
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Optimierungsprobleme sind beliebte Aufgaben für Schulaufgaben, Exen und andere schriftliche Prüfungen. Das grundsätzliche Verfahren zu kennen, ist eine Sache (und eigentlich das wichtigste), aber oft sind zum Lösen auch elementare Kenntnisse über geometrische Körper nötig. Wer z. B. nicht weiß, wie man Umfang und Fläche eines Kreises (2 \pi r und \pi r^2) berechnet (und damit auch keine Zylindervolumen usw. berechnen kann), der wird an vielen Aufgaben einfach deswegen scheitern.

Es kann also nicht schaden, den alten Stoff noch mal aufzufrischen, z. B.:

  • Wie rechnet man die Fläche von Kreis, Dreieck, Parallelogramm aus? Und die Umfänge?
  • Was ist mit dem Volumen von Kugel, Zylinder, Quader? (Und nebenbei: Was ist der Unterschied zwischen Quader und Würfel?)
  • Wie lang ist die Diagonale im Rechteck?

Ableitung von f(x)=(x+k)n


03 Apr
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Wenn Ihr eine Funktion der Form

f(x) = (x+3)^5

seht und Euch fragt, wie die Ableitung dazu aussieht, könnt Ihr zunächst überlegen, dass f(x) = (x+3)^5 ganz ähnlich aussieht wie g(x) = x^5 — nur um 3 Einheiten nach links entlang der x-Achse verschoben. Von g(x) ist die Ableitung bekannt: g'(x) = 5x^4. Jetzt müsst Ihr nur den Graph von g' um 3 Einheiten nach links schieben, und schon habt Ihr die Ableitung von f:

f'(x) = 5(x+3)^4

Im Technikzweig ist das natürlich direkt über die Kettenregel klar, mit innerer Funktion x \mapsto x+3.

Statt 3 darf auch jede andere Verschiebung auftauchen, und es klappt nicht nur mit der 5. Potenz, sondern mit jeder. Es gilt also allgemein:

f(x) = (x+k)^n \Rightarrow f'(x) = n(x+k)^{n-1}

für beliebige aber konstante k.

Skript zur Kurvendiskussion


02 Apr
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Für meine Schüler/innen habe ich ein Skript zur Kurvendiskussion erstellt. Ihr findet es auch auf dieser Webseite: Kurvendiskussion.pdf. Es behandelt knapp auf vier Seiten die Themen Extremwerte und Wendepunkte und hat noch einen Block zur oft nötigen Polynomdivision. Am Anfang gibt’s außerdem zur Erinnerung eine kurze Definition des Ableitungsbegriffs.

Dieses Skript würde ich bei Interesse noch ausbauen; schreibt mir doch, was Ihr darin zusätzlich finden wollt.

Extremwerte


30 Mrz
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Rund um Extremwertsuche gibt es viele Fragen… Fangen wir mal ganz vorne an: Warum sucht man die, wie sucht man die, was gibt’s zu beachten?

Ganz groß oder ganz klein

Extremwerte sind entweder Maxima oder Minima. In der grafischen Darstellung der Funktion sind sie im Graph die höchsten oder niedrigesten Punkte. Oft betrachten wir in der Mathematik Funktionen, die irgend etwas aus dem „richtigen Leben” beschreiben, meist hat es was mit Technik oder BWL zu tun. Einen Extremwert zu finden, hilft dann z. B. bei einer Optimierungsaufgabe vom Typ „In welchem Winkel muss ich den Stein abwerfen, damit er möglichst weit fliegt?”.

Für die Suche nach Extremwerten brauchen wir die Ableitungen. Aus dem Theorieteil wissen wir: An einem Maximum war die Funktion zunächst monoton steigend und dann monoton fallend (sonst wärs kein relatives Maximum), die Steigung an der Stelle muss 0 sein. Also: f'(x) = 0. (weiterlesen…)

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