1 Kreis und GN GRUNDWISSEN MATHEMATIK. für die Jahrgangsstufe 10

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1 Kreis und Kugel Zum Kreis vgl. Klasse 8, 6... ogenmaß: Durch den Mittelpunktswinkel α wird auf einer Kreislinie mit Radius r ein Kreissektor mit ogenlänge b festgelegt. Es gilt: b r πα 80 Am Einheitskreis besteht damit eine direkte eziehung zwischen ogenlänge b und dem Mittelpunktswinkel α. Dieses Winkelmaß nennt man ogenmaß. Die Größe des πα Winkels α in ogenmaß beträgt: 80 Winkel im Gradmaß Winkel im ogenmaß 0 π 6 π 4 π 3 π 2 π 2π 2. Kreissektor: Der Flächeninhalt eines Kreissektors mit Mittelpunktswinkel α des Kreises mit Radius r beträgt: A α πr 2 rb /26

2 3. Kugel: Für den Oberflächeninhalt einer Kugel mit Radius r gilt: A Kugel 4π r 2 Für ihr Volumen gilt: 4 3 V Kugel π r 3 eispiel: Das Volumen einer Kugel beträgt 500 cm3. estimme ihren Radius und ihren Oberflächeninhalt! 500 cm3 9 cm3 4,9 cm πr 3 4π 3 r r Damit gilt für ihren Oberflächeninhalt: A Kugel 4π 4,9 cm 2 30,7 cm 2 2/26

3 2 Trigonometrie (vgl. für Sinus, Kosinus, Tangens Klasse 9, 4.4). Sinus und Kosinus am Einheitskreis: Die Funktionswerte cos φ und sin φ können am Einheitskreis für beliebige Winkel φ als x-koordinate und y-koordinate des Punktes P definiert werden: Daraus ergeben sich weitere Eigenschaften, wie z..: a) sin φ cos φ sin 80 φ cos 80 φ (P an der y-achse spiegeln) 3/26

4 b) sin φ cos φ sin 80 φ cos 80 φ sin φ 80 cos φ 80 (P um eine halbe Kreisdrehung bewegen) c) sin φ cos φ sin 360 φ cos 360 φ sin φ 360 cos φ 360 (P um eine volle Kreisdrehung bewegen führt zur Ausgangsposition) d) sin φ cos φ sin 360 φ oder cos 360 φ sin φ cos φ sin φ cos φ (P an der x-achse spiegeln) 4/26

5 2. Sinusfunktion und Kosinusfunktion: Die Funktion f : f x sin x, x ℝ heißt Sinusfunktion und die Funktion g : g x cos x, x ℝ Kosinusfunktion. Sie haben folgende Eigenschaften: eide Funktionen haben den Wertebereich W [ ; ]. eide Funktionen sind periodische Funktionen, d.h. ihre Funktionswerte wiederholen sich in einem bestimmten Abstand (hier: 2π). sin x sin x k 2π für k ℤ cos x cos x k 2π für k ℤ Die Sinusfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprungspunkt des Koordinatensystems, die Kosinusfunktion ist achsensymmetrisch zur y-achse. 5/26

6 3 Exponentielles Wachstum und Logarithmen. Exponentielles Wachstum - lineares Wachstum (vgl. Klasse 8, 2.4) Exponentielles Wachstum liegt dann vor, wenn der Zuwachs einer Größe pro Zeiteinheit proportional zum aktuellen estand der Größe ist. y b a x Hier im eispiel: y 0,5 2 Lineares Wachstum liegt dann vor, wenn der Zuwachs einer Größe pro Zeiteinheit konstant ist. y b a x x Hier im eispiel: Die Größe y wächst hier also jeweils um Faktor 2, wenn sich x um erhöht. y 0,5 2 x Die Größe y wächst also jeweils um den Summanden 2, wenn sich x um erhöht. Der Parameter b gibt jeweils den estand zum Anfangszeitpunkt x0 an. a hängt eng mit dem Wachstumsfaktor/Abnahmefaktor (vgl. Klasse 7, 4.2) zusammen. Es gilt: 6/26

7 a) ei einer p% Wachstumsrate spricht man von einer exponentiellen Zunahme a p 00 Es gilt also: a b) ei einer p% Abnahmerate spricht man von einer exponentiellen Abnahme a p 00 Es gilt also: 0 a 2. eispiele: a) Eine akterienkultur verdoppelt sich je2,5 h. Zu eginn gibt es 7000 akterien. Wie viele akterien sind es nach 3 h? Die Gleichung lautet: y b a x Zu eginn x0 sind es Deshalb gilt: b7000. Nach 2,5 h hat sich der estand verdoppelt, es sind also Damit gilt: a 2,5 : a2 a a ,32 Die Gleichung lautet also: y 7000,32 x. Damit gilt: 7000, , Nach 3 h gibt es also rund 600 akterien in der Kultur. b) Nach 4 Jahren besitzt ein Waldbestand 2430,25 Festmeter Holz. ei gleich bleibenden Wachstumsraten sind es nach 7 Jahren 28420,08 Festmeter. estimme die Gleichung für das exponentielle Wachstum und den Holzbestand nach 0 Jahren! Aus den beiden angegebenen Daten lassen sich zwei Punkte auf dem Funktionsgraph herauslesen: (4 2430,25) und ( ,08 ). I : 2430,25 b a 4 und II : 28420,08 b a7 7/26

8 (. Lösungsweg zur estimmung von a:) eide Gleichungen werden nach b aufgelöst: I': 2430,25 b a ,08 b und II ' : 7 a Die Gleichung werden gleichgesetzt: 2430,25 a4 a7 2430,25 4 a 28420,08 a7 a ,08 : 2430,25 a3 a a 28420, , , ,25,05 (2. Lösungsweg zur estimmung von a:) Die eine Gleichung wird durch die andere dividiert: Hier II' / I' 28420, , , , , ,25,05 b a7 b a 4 a3 a a Zur estimmung von b muss eines der beiden Wertepaare in die Gleichung y b,05x eingesetzt werden. 2430, b,054 b :,054 Damit lautet die Gleichung: y ,05x. Nach 0 Jahren gilt damit: y , Nach 0 Jahren besitzt man also ungefähr Festmeter. 8/26

9 c) eim radioaktiven Zerfall des Caesiumisotops Cs 37 wandeln sich pro Jahr 2,% des Isotops in arium um. 200 besitzt man 2,0 kg des Stoffes. Wie viel besitzt man im Jahr 2020? 2, Der jährliche Zerfall beträgt 2,%, also a 00 0,979. Die Gleichung lautet damit: y 2,0 kg 0,979 x 200. Für das Jahr 2020 gilt: y 2,0 kg 0,979 2 kg 0,8088,676 kg. Im Jahr 2020 sind also noch ungefähr,6 kg des Stoffs vorhanden. 3. Eigenschaften der Exponentialfunktion Jede Funktion f mit f x a ; D f ℝ und a ℝ { } heißt x Exponentialfunktion. Sie besitzt die folgenden Eigenschaften: Der Graph jeder Exponentialfunktion schneidet die y-achse im Punkt P(0 ). Für a> wächst die Funktion mit zunehmenden x-werten. Für 0<a< fällt sie. Die Wertemenge jeder Exponentialfunktion ist W ℝ. Die x-achse ist horizontale Asymptote des Funktionsgraphen. Die Graphen der Funktionen f a : f a x a x und g a : g a x a x mit a ℝ { } sind symmetrisch zueinander bezüglich der y-achse. 9/26

10 4. Der Logarithmus (vgl. für Potenzen: Klasse 8,) a) Definition: Die Lösung der Gleichung b x p mit b ℝ { } und p ℝ über Gℝ ist xlog b p (gelesen: Logarithmus von p zur asis b) eispiele: ) 4 x 64 also xlog ) 8 x 2 also xlog x 3) 5 25 also xlog Das Logarithmieren zur asis b ist eine Umkehrung des Potenzierens mit der asis b. Es gilt deshalb mit b ℝ { } ; x ℝ; y ℝ : log b b x x oder b logb y y Spezialfälle: log b 0 und log b b Der Logarithmus zur asis 0 wird kurz geschrieben: log0 p log p b) Rechengesetze des Logarithmus: Mit a,b ℝ { } ; p, q ℝ und r ℝ gilt: logb p q log b p log b q p logb q log b p log b q logb pr r logb p log p b loga p log a (Wechsel der asis) b 0/26

11 eispiele: ) loga ba5 log a b log a a 5 loga b 5 log a a log a b 5 2) 4 2 log 00 a 3log a log a 4 log a 2 3 log 00 log a 4 log a log a 2 log a a2 log 6 a log a 4 5. Exponentialgleichungen Gleichungen, bei denen die Variable (nur) im Exponenten auftritt, heißen Exponentialgleichungen. eispiel: 3 x 8 mit Gℝ Mit Hilfe des Logarithmierens kann die Lösungsmenge bestimmt werden: 3 x log 3 3 x x log 3 3 x x 8 Logarithmieren log also L{3 } Hinweis: Verwendet man zum Logarithmieren eine asis b, so bleibt auch bei Ungleichungen die Größer-/Kleinerrelation erhalten. Meist wählt man b0. /26

12 4 Ganzrationale Funktionen (vgl. für lineare Funktionen: Klasse 8, 2.4; quadratische Funktionen: Klasse 9, 2.2). Definition f x a n x n a n x n a x a 0 mit a n, a n, a, a 0 ℝ mit a n 0 heißt ganzrationale Funktion Jede Funktion n ℕ 0, f der Form n-ten Grads oder Polynomfunktion n-ten Grads. Ihr Funktionsterm wird auch Polynom genannt. Die Zahlen a n, a n, a, a 0 heißen Koeffizienten. Die Funktion f : f x 0 ist ebenfalls eine ganzrationale Funktion 0-ten Grads. eispiele: a) 2 f : f x x 4 3 Jede lineare Funktion ist auch eine ganzrationale Funktion. b) g : g x 5 x 2 2x 8 Jede quadratische Funktion ist auch eine ganzrationale Funktion. c) h : h x 3x 3 2,5 x 2 4 Eine Polynomfunktion 3-ten Grads. 2. estimmung der Nullstellen (vgl. für quadratische Funktionen Klasse 9,3) Zur Nullstellenbestimmung muss die Gleichung f x 0 gelöst werden. Eine ganzrationale Funktion n-ten Grads hat höchstens n Nullstellen. Ist x eine Nullstelle von f, so lässt sich der Funktionsterm faktorisieren: f x x x g x, wobei g eine ganzrationale Funktion (n-)-ten Grads ist. Der Term von g kann z.. durch Polynomdivision bestimmt werden (vgl. 2.3). Eine Nullstelle kann einfach oder mehrfach sein. Hat man f so weit wie möglich faktorisiert, so kann man die Nullstellen und ihre Vielfachheit direkt ablesen: eispiele: a) f x x 4 x 2 also f x x 4 x 2 f besitzt zwei einfache Nullstellen: x4 ; x 2 b) g x 2 x 5 3 x also g x 2 x 5 3 x 0 g besitzt eine dreifache Nullstelle x0. x5 und eine einfache Nullstelle 2/26

13 Die Funktion f hat eine k-fache Nullstelle k ℕ an der Stelle x. In der Nähe der Nullstelle wird das Verhalten der Funktion durch die Zahl k der Nullstelle bestimmt hier: x 2 : k k2 k3 f(x) wechselt das Vorzeichen an der Stelle x x. f(x) wechselt das Vorzeichen an der Stelle x x nicht. f(x) wechselt das Vorzeichen an der Stelle x x. allgemein gilt: k gerade: das Vorzeichen von f(x) wechselt nicht. k ungerade: das Vorzeichen von f(x) wechselt. Zwischen benachbarten Nullstellen wechselt eine ganzrationale Funktion ihr Vorzeichen nicht. Mit Hilfe der Nullstellen lässt sich also ein Überblick gewinnen, in welchen ereichen die Funktionswerte positiv, negativ oder gleich 0 sind. 3/26

14 eispiel: a) f x x 2 x 3 Die Funktion besitzt eine doppelte Nullstelle in x und eine dreifache Nullstelle in x 2. x x x x x x x 2 0 x 3 0 f(x) 0 0 b) g x 0,5 x 2 x 2 Die Funktion besitzt eine einfache Nullstelle in x 2 und eine doppelte Nullstelle in x 2. x x 2 x 2 2 x x x 0,5 x 2 0 x 2 0 f x Polynomdivision Die Polynomdivision ist ein mögliches Verfahren zur estimmung des Restpolynoms bei der Nullstellenbestimmung. 4/26

15 4. Symmetrien Für die ganzrationale Funktion f x a n x n a n x n a x a 0 gilt: a) Sind nur Koeffizienten a i mit i ungerade von 0 verschieden, so ist sie punktsymmetrisch zum Ursprung des Koordinatensystems O(0 0). b) Sind nur Koeffizienten a i mit i gerade von 0 verschieden, so ist sie achsensymmetrisch zur y-achse. eispiel: a) f x 3 x5 2 x 3 x ist punktsymmetrisch zu O(0 0). egründung: f x 3 x 5 2 x 3 x 3x5 2x 3 x 5 3 3x 2x x f x b) g x 0,5 x 6 3 x 2 2 ist achsensymmetrisch zur y-achse. egründung: g x 0,5 x 6 3 x 2 2 0,5 x6 3 x 2 2 g x c) h x 4 x 3 8x 2 3 ist weder achsensymmetrisch zur yachse noch punktsymmetrisch zu O(0 0). h x 4 x 3 8 x x 3 8 x 2 3 5/26

16 5. Verhalten am Rande des Definitionsbereichs Eine ganzrationalen Funktion n-ten Grads nähert sich für x und x immer mehr der Funktion g x a n x n an. eispiel: f x 3 x 5 2 x 3 x 2 3x x 3x für x ± 5 3x für x ± 6/26

17 5 Überblick über die Funktionen. Hierarchie der Funktionen ganzrationale Funktionen rationale Funktionen (vgl. 4) gebrochenrationale Funktionen (vgl. Klasse 8, 2.6) reelle Funktionen trigonometrische Funktionen (vgl. 2.2) nichtrationale Funktionen Exponentialfunktionen (vgl. 3.3) Wurzelfunktionen (vgl. Klasse 9,.2), Logarithmusfunktionen (vgl. 3.4) 2. Verhalten im Unendlichen Kommen die Funktionswerte f x für beliebig große x-werte einer Zahl a ℝ beliebig nahe, so nennt man a einen Grenzwert der Funktion f für x gegen plus unendlich: lim f x a x Die Funktion konvergiert dann für x gegen a. Die Gerade y a ist eine waagerechte Asymptote von G f. Entsprechendes gilt für x. Funktionen, die nicht in dieser Weise gegen eine Zahl a konvergieren, nennt man divergent. 7/26

18 eispiele: lim 2 2 a) x x b) cos x lim 0 x x lim c) x x d) Alle ganzrationalen Funktionen n-ten Grads (n>0) sind divergent. (vgl. 4.5) 8/26

19 e) Die trigonometrischen Funktionen sin x und cos x schwanken periodisch zwischen [ ; ] und sind damit divergent. f) Die Funktion r x x sin x ist divergent. Es gelten die folgenden Grenzwertregeln: Die Funktionen f und g sind konvergent für x, mit lim f x a und x lim g x a 2. Dann gilt: x lim [ f x ±g x ] lim f x ± lim g x a ± a 2 x x x lim [ f x g x ] lim f x lim g x a a 2 x x x lim f x a f x x lim sofern lim g x a2 x g x x g x 0 und a 2 0 ist. Entsprechendes gilt für x. 9/26

20 3. Einfluss von Parametern auf den Funktionsgraphen a) Verschieben des Funktionsgraphen f : f x f x a mit D f D f Der Parameter a bewirkt eine Verschiebung des Funktionsgraphen längs der yachse a : nach oben a: nach unten f 2 : f 2 x f x b Der Parameter b bewirkt eine Verschiebung des Funktionsgraphen längs der x-achse b : Verschiebung nach rechts b : Verschiebung nach links b) Strecken/Stauchen des Funktionsgraphen f 3 : f 3 x c f x c ℝ { } und mit D f D f. 3 Der Parameter c bewirkt eine Strecken c bzw. Stauchen 0 c des Funktionsgraphen in Richtung y-achse 20/26

21 f 4 : f 4 x f d x mit d ℝ { } und D f D f 4 Der Parameter d bewirkt ein Strecken 0 d bzw. Stauchen d des Funktionsgraphen in Richtung x-achse um den Faktor d. c) Spiegeln des Funktionsgraphen an der x-achse: f 5 : f 5 x f x mit D f D f 5 an der y-achse: f 6 : f 6 x f x am Ursprung: f 7 : f 7 x f x 2/26

22 6 Stochastik (vgl. Klasse 8, 7; Klasse 9, 6). edingte Wahrscheinlichkeit ei mehrstufigen Zufallsexperimenten nennt man P A die Wahrscheinlichkeit von A unter der edingung, d.h. also die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten des Ergebnisses A unter der Voraussetzung, dass eingetreten ist. Sie heißt bedingte Wahrscheinlichkeit. P A Wegen der Pfadregeln gilt: P A P 2. aumdiagramm und Vierfeldertafel Im aumdiagramm stehen an den Kanten teilweise bedingte Wahrscheinlichkeiten: P() P(A) P(A) A A P(A ) P(A) P() A A P(A) P(A) P(A ) P(A ) P(A) A P(A ) PA() PA() P(A ) P(A ) PA() P(A ) A PA() P(A ) In der Vierfeldertafel stehen nur die Wahrscheinlichkeiten der Schnittmengen: Die bedingten Wahrscheinlichkeiten müssen aus der Tafel berechnet werden. (ei der Vierfeldertafel ergibt die Summe der grauen A A P(A ) P(A ) P() Felder einer Zeile das weiße Feld der Zeile, P(A ) P(A ) P() entsprechendes gilt für die Spalten. Das rechte untere P(A) P(A) P(Ω) Feld ist die Summe der Felder der dazugehörigen Zeile bzw. Spalte.) 22/26

23 3. eispiele a) Drogenfahndung An einer Grenze werden in 5% der Fahrzeuge Drogen geschmuggelt. Ein Drogenspürhund bellt mit 85% Wahrscheinlichkeit, wenn das Fahrzeug Drogen enthält. ei 20% der Nichtdrogenfahrzeugen bellt er trotzdem. Folgende Fragen gilt es zu beantworten: (i) estimme die Wahrscheinlichkeit, dass der Hund bellt und das Fahrzeug Drogen enthält! (ii) ei wie viel Prozent der Fahrzeuge bellt der Hund? (iii) estimme die Wahrscheinlichkeit, dass der Hund sich richtig verhält! (iv) Der Hund bellt bei einem Fahrzeug. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass es ein Drogenfahrzeug ist? D: Drogenfahrzeug : Hund bellt Der eschreibung sind folgende Wahrscheinlichkeiten zu entnehmen: P D 5 %, P D 85 %, P D 20 %, im aumdiagramm dargestellt: 5% 85% D 20% D Die Pfadregeln ermöglichen eine Ergänzung des aums: 5% 85% D 5% 95% 20% D 80% 23/26

24 (i) Außerdem lassen sich die Wahrscheinlichkeiten der Schnittmengen bestimmen: Die Wahrscheinlichkeit, dass das Fahrzeug Drogen enthält und der Hund bellt: P D P D P D 0,05 0,85 0,0425 4,25% (ii) Gleiches gilt für die anderen Wahrscheinlichkeiten der Schnittmengen: P D P D P D 0,05 0,5 0,0075 0,75 % P D P D P D 0,95 0,2 0,9 9 % P D P D P D 0,95 0,8 0,76 76 % Aus der Zusammenfassung ergibt sich für: P P D P D 0,0425 0,9 0, ,25 % Der Hund bellt also bei 23,24% der Fahrzeuge. (iii) Wie oft reagiert der Hund nun richtig? P D P D 4,25% 76 % 80,25 % Dies gilt also für 80,25% der Fälle, in 9,75% aber irrt er sich. (iv) Die Vierfeldertafel gibt einen Überblick: Die anderen bedingten Wahrscheinlichkeiten ergeben sich aus der Formel 6.: Für iv gilt: P D D D 4,25% 9% 23,25% 0,75% 76% 76,75% 5% 95% 00% P D 0,0425 0,828 8,28 % P 0,2325 Wenn der Hund ein Auto durch ellen angezeigt hat, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es Drogen enthält mit 8,28% immer noch unter 20%! 24/26

25 Die weiteren bedingten Wahrscheinlichkeiten lauten: P D P D 0,9 0,872 8,72 % P 0,2325 P D P D 0,0075 0,0098 0,98 % P 0,7675 P D P D 0,76 0, ,02 % P 0,7675 Das dazugehörige aumdiagramm sieht folgendermaßen aus: 23,25% 8,28% 76,75% 8,72% 0,98% D D D 99,02% D b) Würfeln Wie häufig muss man mit einem Laplace-Würfel würfeln, um mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 95% mindestens einmal die Sechs zu würfeln? Die Wahrscheinlichkeit, in n Würfen mindestens eine Sechs zu werfen, beträgt: P mindestens eine Sechs in n Würfen P keine Sechs in n Würfen n /26

26 Damit gilt: P mindestens eine Sechs in n Würfen % n 0,95 0, n 0,95 n Logarithmieren n log 0,05 log 0,05 5 log n log : log 6 6 log 0,05 5 log 6 6,43 n n Man muss also dafür 7 Mal würfeln. 26/26