QUADRATISCHE UND KUBISCHE FUNKTION

Transkript

1 QUADRATISCHE UND KUBISCHE FUNKTION Quadratische Funktion 1. Bedeutung der Parameter Als quadratische Funktionen werde alle Funktionen bezeichnet, die die Form y = a*x² + b*x + c aufweisen, also alle, bei denen das x hoch 2 vorkommt. Kommt das x in einer höheren Potenz vor (also hoch 3, 4, ), liegt keine quadratische Funktion mehr vor. Grundsätzlich verläuft jede quadratische Funktion (hoch 2) in 2 Richtungen, die Parameter a, b und c bestimmen den genauen Verlauf. a = Steigung des Graphen: ist a positiv, so steigt er, ist a negativ, so fällt der Graph. Je höher die Zahl von a, desto steiler nach oben/unten verläuft der Graph. b = Verschiebung des Graphen auf der x-achse: wenn man die Funktionsgleichung in die Scheitelform (z.b. (2x-3)² statt 4x²-12x+ bringt, dann ist die alleinstehende Zahl in der Klammer (in diesem Fall 3) die Verschiebung in x-richtung. Aus der normalen Form kann man die Verschiebung ohne weitere Schritte nicht sehen. Steht in der Scheitelform ein -, bedeutet das eine Verschiebung nach rechts, ein + würde eine Verschiebung nach links bedeuten. c = Verschiebung des Graphen auf der y-achse: ist c positiv, so schneidet der Graph die y- Achse im positiven Bereich, ist c negativ, so schneidet der Graph die y-achse im negativen Bereich. Den c-wert sieht man nur direkt aus der normalen Form (nicht aus der Scheitelform). a = 5 a = 1 y = (x+2)² oder x²+4x+4 y = (x+0)² = x² a = 1 2 a a = -1,5 y = (x-1)² oder x²-2x+1 Links ist b und c bei allen Graphen 0, rechts sind b und c Werte. Man sieht b aus der Scheitelform und c aus der normalen Form. Der Graph einer quadratischen Funktion ist immer eine Kurve und niemals eine Linie.

2 2. Berechnung der Nullstellen Die Schnittpunkte mit der x-achse heißen Nullstellen. Da alle Schnittpunkte auf der x-achse liegen müssen, müssen alle dazugehörigen y-werte dieser Nullstellen = 0 sein. Aus diesem Grund setzt man den y-wert einfach auf 0. Eine Funktion zweiten Grades kann maximal 2 (es können aber auch 1 oder 0 sein) Nullstellen besitzen. Diese kann man händisch oder mit speziellen Taschenrechnerbefehlen berechnen. Berechnen mit der Quadratischen Lösungsformel Man kann man die Gleichung mit einer der beiden Lösungsformeln berechnen. Falls man die kleine Lösungsformel verwendet, muss man beachten, dass vor dem x² keine Zahl steht und dass auf der rechten Seite 0 steht. Fall das nicht der Fall sein sollte, kann man entweder umformen oder die große Lösungsformel (aber auf hier muss auch auf der rechten Seite 0 stehen) verwenden. Kleine Lösungsformel Große Lösungsformel Gleichung: x² + px + q = 0 Gleichung: ax² + bx + c = 0 Lösung: x1,2 = - p 2 ± ( p 2 )2 q Lösung: x1,2 = b ± b² 4ac 2a p = Zahl vor dem x, q = Zahl ohne x a = Zahl vor dem x², b = Zahl vor dem x, c = Zahl ohne x Beispiel: y = x² - 6x + 5 = 0 Beispiel: y = 4x² + 3x - 8 p = -6, q = +5 a = +4, b = +3, c = -8 Lösung: x1,2 = - 6 ± ( 6 3 ± 3² 4 4 ( 8) 2 2 )2 5 Lösung: x1,2 = x1,2 = 3 ± 5 = 3 ± 4 x1,2 = x1 = = 7, x2 = 3-4 = -1 x1 = Mit dem TR-Befehl berechnen 3 ± , = 1,0; x2 = 3 11,7 8 = -1,84 Alle, die diesen oder einen ähnlichen Taschenrechner haben, können die Nullstellen auch mit einem Befehl lösen. Hierbei drückt man die y= Taste (links oben), gibt die gewünschte Gleichung ein und drückt auf Graph (rechts oben). Nun wird die Funktion gezeichnet. Jetzt kann man mehrere Befehle wählen, die direkt Nullstellen, Extremstellen, usw. berechnen. Für die Nullstellen drückt man auf 2nd- Trace (=Calc) und wählt den Punkt Zero. Dann wird nach einem left bound (einfach einen beliebigen Punkt links von der Nullstelle wählen und Enter drücken) und einem right bound (einfach einen beliebigen Punkt rechts von der Nullstelle wählen und Enter drücken) gefragt. Jetzt fragt der Rechner nach einem guess, und da drückt man einfach wieder Enter. 3. Zeichnen und Funktionsgleichung bestimmen Zum Zeichnen einer quadratischen Funktion müssen entweder die Funktionsgleichung oder Punkte gegeben sein.

3 Wenn die Funktionsgleichung gegeben ist Beispiel: y = 4x² + 2x 1 Punkte/Wertetabelle bestimmen: Man sucht sich beliebige x-werte (egal welche), setzt diese in die Gleichung ein und bekommt ein y heraus. Ein x-wert mit einem dazugehörigen y-wert ist dann ein Punkt P(x/y). Man kann das Ganze auch in einer Wertetabelle (rechts) darstellen. Die Wertetabelle kann auch der Taschenrechner anzeigen, indem man die Funktion bei y= eintippt und bei 2nd=> Graph (Table) die Tabelle anzeigen lässt. Zeichnung bestimmen: Zuerst ein Koordinatensystem erstellen und beschriften. Dann entweder Punkte einzeichnen und verbinden. Wenn die Punkte gegeben sind x y x y x y Beispiel: P1(3/0) P2(1/4) P3(8/12) Punkt x y Zeichnung bestimmen: Siehe Punkt oben: einfach Punkte einzeichnen und verbinden. Gleichung bestimmen: Man schreibt zuerst die allgemeine Gleichung y = ax²+bx+c auf. Dann setzt man den ersten Punkt für x und y ein => 1. Gleichung. Dasselbe macht man mit Punkt 2 und 3 => nun hat man 3 Gleichungen, die man entweder mit dem Einsetzungsverfahren (siehe dazu Zusammenfassung Gleichungssysteme) oder mit Matrix lösen kann. 1.) 0 = a*3² + b*3 + c => 0 = a+3b+c => umformen auf a => a = 3b c 2.) 4 = = a*1² + b*1 + c => 4 = 1a+1b+c 3.) 12 = = a*8² + b*8 + c => 12 = 64a+8b+c Nun wird der Ausdruck für a in die Gleichungen 2 und 3 eingesetzt: 4 = 3b c + b + c => vereinfachen (*) => 36 = -3b c + b + c => 36 = 6b + 8c 12 = 64* 3b c + 8b + c => 108 = 64*(-3b-c) + 72b + c => 108 = -12b 64c + 72b + c => 108 = -120b 55c Gleichung 2 und 3: 36 = 6b + 8c *20 => 720 = 120b + 160c 108 = -120b 55c => 108 = -120b 55c 828 = 105c => c = 7,8 Einsetzen in Gleichung 2: 36 = 6b + 8*7,8 => 36 = 6b + 63,0 => -27,0 = 6b => b = -4,51 Einsetzen in Gleichung 1: a = 3 ( 4,51) 7,8 => a = 0,63 => y = 0,63x² - 4,51x + 7,8 Oder mittels Matrix (einfach die Koeffizienten der 3 Gleichungen eintippen, Achtung: immer mit der Reihenfolge a, b, c, Zahl):,3,1,0 1,0,0,0.63 1,1,1,4 => rref => 0,1,0, ,8,1,12 0,0,1,7.8 Wenn die Zeichnung gegeben ist Punkte/Wertetabelle bestimmen: Die Punkte muss man ablesen. Gleichung bestimmen: Siehe Punkt oben.

4 Wenn die Nullstellen gegeben sind: Satz von Vieta Der Mathematiker François Viète hat herausgefunden, wie man von den Nullstellen auf die Gleichung kommt. Allerdings ist das nur für Gleichungen der Form y = x² + px + q (eigentlich die Gleiche Form wie y = x² + bx + c, nur heißt b => p und c => q, Achtung: der Koeffizient a muss 1 sein). Der Satz ist also für die Gleichung y = x² + 2x - 1, nicht aber für die Gleichung y = 4x² + 2x - 1 gültig (wegen dem a = 4). Der Satz von Vieta lautet: p = -(x1+x1) und q = x1*x2 x1 und x2 = Nullstellen Beispiel: Nullstellen: x1 = 2, x2 = 8 => p = -(x1+x1) => p = -(2+8) = -10 => q = x1*x2 => q = 16 => Gleichung: y = x² - 10x Ermittlung des Scheitels Der Scheitelpunkt ist jener Punkt, der ganz unten/oben ist (=Hochpunkt oder Tiefpunkt), bei dem der Graph von steigend auf fallend umdreht und umgekehrt. Es gibt 3 Möglichkeiten, diesen zu berechnen. 1.) Ermittlung als Hoch-/Tiefpunkt: Erste Ableitung 0 setzen (siehe dazu auch Zusammenfassung Kurvendiskussion => Hoch- und Tiefpunkt). 2.) Ermittlung als Punkt zwischen den 2 Nullstellen: der Scheitelpunkt ist immer genau zwischen den beiden Nullstellen. Wenn man also diese kennt, bekommt man den x-wert des Scheitels heraus, um den y-wert zu erhalten einfach in die Gleichung einsetzen. Beispiel: y = x² + x 6 => Nullstellen bei x = 2 und x = -3 => Abstand zwischen beiden = 5, halber Abstand = 2,5 => -3+2,5 = -0,5 => der Scheitel muss bei x = -0,5 sein => einsetzen => y = (-0,5)² - 0,5-6 = -5,75 => S(-0,5/-5,75) 3.) Ermittlung durch Scheitelform: man bringt die Gleichung in diese Form (x+ )², die Zahl in der Klammer (in diesem Fall ) ist der x-wert des Scheitels. Beispiel: y = x² - 4x + 8 => (x-2)² + 4 => -2 bedeutet, dass der Graph um 2 nach rechts verschoben ist => x-wert = +2 => einsetzen in y => y-wert = -4 => S(2/-4) Hinweis: Wie kommt man von x² - 4x + 8 auf (x-2)² + 4? Zuerst schaut man auf das x² und zieht die Wurzel => x. Dann schaut man auf das -4x. Man weiß durch das Minus, dass in der Klammer auch ein Minus stehen muss => (x- )². Das 4x ergibt sich aus 2*erster Ausdruck*zweiter Ausdruck, also 4x = 2*x* Deswegen muss der zweite Ausdruck 2 sein. Würde man dann (x-2)² ausrechen, so würde x² - 4x + 4 herauskommen, es fehlt also noch ein +4 hinten, um auf gesamt x² - 4x + 8 zu kommen. Kubische Funktion 1. Bedeutung der Parameter Als kubische Funktionen werde alle Funktionen bezeichnet, die die Form y = a*x³ + b*x² + c*x + d aufweisen, also alle, bei denen das x hoch 3 vorkommt. Kommt das höchste x in einer anderen Potenz vor (also hoch 2, 4, ), liegt keine kubische Funktion mehr vor. Grundsätzlich verläuft jede kubische Funktion (hoch 3) in 3 Richtungen, die Parameter a, b, c und d bestimmen den genauen Verlauf.

5 a = Steigung des Graphen: ist a positiv, so steigt er am Beginn und zum Schluss (in der Mitte fällt er), ist a negativ, so fällt der Graph im ersten und dritten Abschnitt und steigt in der Mitte. Je höher die Zahl von a, desto steiler nach oben/unten verläuft der Graph. b/c = Die Koeffizienten b und c sind für die Verschiebung des Graphen auf der x-achse, aber auch für die Steigung verantwortlich. d = Verschiebung des Graphen auf der y-achse: ist d positiv, so schneidet der Graph die y-achse im positiven Bereich, ist d negativ, so schneidet der Graph die y-achse im negativen Bereich. 2. Berechnung der Nullstellen Die Schnittpunkte mit der x-achse heißen Nullstellen. Da alle Schnittpunkte auf der x-achse liegen müssen, müssen alle dazugehörigen y-werte dieser Nullstellen = 0 sein. Aus diesem Grund setzt man den y-wert einfach auf 0. Eine Funktion dritten Grades kann maximal 3 (es können aber auch 2 oder 1 sein) Nullstellen besitzen. Diese kann man händisch oder mit speziellen Taschenrechnerbefehlen berechnen. Händisches Berechnen mit Polynomdivision 1. Erste Nullstelle raten: Ist in der Regel ein Teiler von d (= allein stehende Zahl). Also bei d = 6 einfach 1,2,3 und 6 einsetzen und probieren, ob für f(x) = 0 rauskommt. 2. Grundgleichung dividiert durch (x - [Erratener Wert]) [a*x 3 + b*x 2 + c*x + d] : [x-wert] Beispiel: (-5 = erratener Wert durch probieren) (x³ + 6x² + 3x - 10) : (x + 5) = x² + x - 2 -(x³ + 5x²) x² + 3x ergibt -(x² + 5x) -2x (-2x - 10) 0 Mit dem TR-Befehl berechnen y = -0.7x³ + 3x³ - 1.2x - 2 Vorgehensweise: Wie oft geht x in x³? x²mal. Dann x² hineinmultiplizieren: x²*x = x³ und x²*5 = 5x. Die beiden Werte unter die Gleichung schreiben, Vorzeichen wechseln und von der Gleichung abziehen. x³-x³ = 0 und 6x²-5x² = x². Nächste Stelle herunter. Wie oft geht x in x²? Gleiche Vorgehensweise wie oben Alle, die diesen oder einen ähnlichen Taschenrechner haben, können die Nullstellen auch mit einem Befehl lösen. Hierbei drückt man die y= Taste (links oben), gibt die gewünschte Gleichung ein und drückt auf Graph (rechts oben). Nun wird die Funktion gezeichnet. Jetzt kann man mehrere Befehle wählen, die direkt Nullstellen, Extremstellen, usw. berechnen. Für die Nullstellen drückt man auf 2nd-Trace (=Calc) und wählt den Punkt Zero. Dann wird nach einem left bound (einfach einen beliebigen Punkt links von der Nullstelle wählen und Enter drücken) und einem right bound (einfach einen beliebigen Punkt rechts von der Nullstelle wählen und Enter drücken) gefragt. Jetzt fragt der Rechner nach einem guess, und da drückt man einfach wieder Enter.

6 3. Zeichnen und Funktionsgleichung bestimmen Zum Zeichnen einer kubischen Funktion müssen entweder die Funktionsgleichung oder Punkte gegeben sein. Wenn die Funktionsgleichung gegeben ist Beispiel: y = 6x³ + 4x² + 2x 1 Punkte/Wertetabelle bestimmen: Man sucht sich beliebige x-werte (egal welche), setzt diese in die Gleichung ein und bekommt ein y heraus. Ein x-wert mit einem dazugehörigen y-wert ist dann ein Punkt P(x/y). Die Wertetabelle kann auch der Taschenrechner anzeigen, indem man die Funktion bei y= eintippt und bei 2nd=> Graph (Table) die Tabelle anzeigen lässt. Zeichnung bestimmen: Zuerst ein Koordinatensystem erstellen und beschriften. Dann entweder Punkte einzeichnen und verbinden. Wenn die Punkte gegeben sind x y x y x y x y Beispiel: P1(3/0) P2(1/4) P3(8/12) P4(4/0) Zeichnung bestimmen: Siehe Punkt oben: einfach Punkte einzeichnen und verbinden. Gleichung bestimmen: Man schreibt zuerst die allgemeine Gleichung y = ax³+bx²+cx+d auf. Dann setzt man den ersten Punkt für x und y ein => 1. Gleichung. Dasselbe macht man mit Punkt 2, 3 und 4 => nun hat man 4 Gleichungen, die man entweder mit dem Einsetzungsverfahren (siehe dazu Zusammenfassung Gleichungssysteme) oder mit Matrix lösen kann (siehe dazu Beispiel bei der quadratischen Funktion). Wenn die Zeichnung gegeben ist Punkte/Wertetabelle bestimmen: Die Punkte muss man ablesen. Gleichung bestimmen: Siehe Punkt oben. 4. Ermittlung der beiden Scheitel Die Scheitelpunkte sind jene Punkte, die ganz unten/oben sind (=Hochpunkt oder Tiefpunkt), bei denen der Graph von steigend auf fallend umdreht und umgekehrt. Es gibt 2 Möglichkeiten, diese zu berechnen. 1.) Ermittlung als Hoch-/Tiefpunkt: Erste Ableitung 0 setzen (siehe dazu auch Zusammenfassung Kurvendiskussion => Hoch- und Tiefpunkt). 2.) Ermittlung als Punkt zwischen den 2 Nullstellen: der Scheitelpunkt ist immer genau zwischen den beiden Nullstellen. Wenn man also diese kennt, bekommt man den x-wert des Scheitels heraus, um den y-wert zu erhalten einfach in die Gleichung einsetzen. Beispiel: y = x² + x 6 => Nullstellen bei x = 2 und x = -3 => Abstand zwischen beiden = 5, halber Abstand = 2,5 => -3+2,5 = -0,5 => der Scheitel muss bei x = -0,5 sein => einsetzen => y = (-0,5)² - 0,5-6 = -5,75 => S(-0,5/-5,75)