Quadratische Funktionen: Unterschied zwischen den Versionen

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(→‎Graph, Parameter und Eigenschaften)
 
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= Einleitung =
 
[[Datei:Parabeln.png | thumb| right| 450px | Abbildung zweier Parabeln samt zugehörigen Funktionsgleichungen]]
 
[[Datei:Parabeln.png | thumb| right| 450px | Abbildung zweier Parabeln samt zugehörigen Funktionsgleichungen]]
  
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{| border ="1" cellpadding="5"
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{{Vorlage:Definition|1=Die Funktionsgleichung einer quadratischen [[Funktionen|Funktion]]  (auch [[Potenz- und Polynomfunktionen|Polynomfunktion]] 2. [[Grades]] genannt) lautet $$y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$$
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| <p style="background-color:#E0E0E0">'''Definition:'''</p>
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mit $a,b,c\in$ [[Theorie Zahlenmengen (1.1.)| $\mathbb{R} $ ]] und $a\neq 0$.}}
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| Die Funktionsgleichung einer quadratischen [[Funktionen | Funktion]]  (auch [[Polynomfunktion]] 2. [[Grades]] genannt) lautet $$ y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$$
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{| align="right"
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|mit $a,b,c\in$ [[Theorie Zahlenmengen (1.1.)| $\mathbb{R} $ ]].  
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'''Hinweis:'''
 
'''Hinweis:'''
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* <span style="background-color:#00FFFF">!Wichtig! </span> Der Graph einer quadratischen Funktion ist IMMER eine '''Parabel''' und damit $\cup$- oder $\cap$-förmig (siehe Abbildungen rechts).
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* <span style="background-color:#00FFFF">Wichtig: </span> Der Graph einer quadratischen Funktion ist IMMER eine '''Parabel''' und damit $\cup$- oder $\cap$-förmig (siehe Abbildungen rechts).
  
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* Quadratische Funktionen haben immer genau einen [[Extremstellen | Hoch- oder Tiefpunkt]]. Diesen nennt man '''Scheitelpunkt''' (oder '''Scheitel''')
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* Quadratische Funktionen haben immer genau einen [[Extremstellen | Hoch- oder Tiefpunkt]]. Diesen nennt man '''Scheitelpunkt''' (oder kurz '''Scheitel''').
  
 
* Die Gleichung $ y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ wird als '''Normalform''' bezeichnet (sozusagen: ''im Normalfall ist die Funktion in dieser Form gegeben'').  
 
* Die Gleichung $ y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ wird als '''Normalform''' bezeichnet (sozusagen: ''im Normalfall ist die Funktion in dieser Form gegeben'').  
−
: Neben der Normalform gibt es auch noch die [[Quadratische Funktionen#Scheitelpunktform |Scheitelpunktform $y=a\cdot (x-w)^2+s$]]
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: Neben der Normalform gibt es auch noch die {{#switchtablink:Scheitelpunktform |Scheitelpunktform $y=a\cdot (x-w)^2+s$}}
  
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{| align="right"
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| <div class="testbutton-blue"> {{#switchtablink:Graph, Parameter und Eigenschaften|$\rightarrow$ nächste Seite ...}} </div>
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= Graph, Parameter und Eigenschaften =
 
== Graph, Parameter und Eigenschaften ==
 
== Graph, Parameter und Eigenschaften ==
  
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[[Grün: Arbeitsblätter | <span style="background-color:#00CD00"> $Aha!$ </span>]] $\ $  Schau dir [http://www.geogebratube.org/student/m137538 dieses Arbeitsblatt] an und beantworte die darin angeführten Fragen.  
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[[Grün: Arbeitsblätter | <span style="background-color:#00CD00"> $Aha!$ </span>]] $\ $  Schau dir [https://www.geogebra.org/m/g52GAMsa dieses Arbeitsblatt] an und beantworte die darin angeführten Fragen.  
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[[Datei:Graph mit a.gif|right]]
 
[[Datei:Graph mit a.gif|right]]
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'''$a$ gibt an, wie stark der Graph steigt oder fällt'''
 
'''$a$ gibt an, wie stark der Graph steigt oder fällt'''
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* Ist $a>0$, so ist die Parabel nach '''oben''' offen.
 
* Ist $a>0$, so ist die Parabel nach '''oben''' offen.
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{| style="background-color:#D3D3D3"
 
{| style="background-color:#D3D3D3"
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|'''Achtung:''' Im Gegensatz zu [[lineare Funktionen | linearen Funktionen]] darf man hier immer nur 1 Einheit nach rechts, niemals mehr. Der Grund: Die Steigung der Parabel ändert sich (sie wird immer steiler). Dagegen ist die Steigung der quadratischen Funktion immer konstant.   
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|'''Achtung:''' Im Gegensatz zu den [[lineare Funktionen | linearen Funktionen]] darf man hier immer nur $1$ nach rechts, niemals mehr. Der Grund: Die Steigung der Parabel ändert sich, sie wird immer steiler. Dagegen ist die Steigung der Linearen Funktion immer konstant.
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Allgemein gilt: Ist eine Steigung konstant, so ist es egal, ob man z. B. $1$ nach rechts und $3$ hinauf, oder $2$ nach rechts und $6$ hinauf geht.   
 
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'''$b$ verschiebt den Scheitelpunkt entlang einer Kurve nach rechts oder links:'''
  
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'''$b$ verschiebt den den Scheitelpunkt entlang einer Kurve nach rechts oder links:'''
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Ist $a>0$, so gilt:
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* Ist $b<0$, so liegt der Scheitelpunkt '''rechts''' (!) der $y$-Achse.
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* Ist $b>0$, so liegt der Scheitelpunkt '''links''' (!) der $y$-Achse.
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* Ist $b=0$, so liegt der Scheitelpunkt genau auf der $y$-Achse. Der Funktionsgraph ist dadurch symmetrisch zur $y$-Achse.
  
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Ist dagegen $a<0$, so bewirkt $b<0$ eine Verschiebung nach '''links''' und $b>0$ eine Verschiebung nach rechts (also genau umgekehrt zu $a>0$).
  
−
* Ist $b<0$, so liegt der Scheitelpunkt '''rechts''' (!) der y-Achse.
 
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* Ist $b>0$, so liegt der Scheitelpunkt '''links''' (!) der y-Achse.
 
  
−
'''!Achtung! Merke dir:'''
+
'''Merke:'''
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Für $a>0$:
 
* $b<0\rightarrow$ rechts
 
* $b<0\rightarrow$ rechts
 
* $b>0\rightarrow$ links
 
* $b>0\rightarrow$ links
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Ist $a<0$, dann ist es genau umgekehrt.
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−
 
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<span style="color:#A020F0> '''Zusatz für Interessierte''' </span>
 
<span style="color:#A020F0> '''Zusatz für Interessierte''' </span>
  
−
<div class="mw-collapsible-content"> Die Kurve, entlang derer die Parabel verschoben wird, ist die Spiegelung der Parabel parallel zur x-Achse.  
+
<div class="mw-collapsible-content"> Die Kurve, entlang derer die Parabel verschoben wird, ist die Spiegelung der Parabel parallel zur $x$-Achse.  
  
−
Wer dies selbständig beweisen kann, warum dies so ist, dem ist der 1er so gut wie sicher.
+
Wer selbstständig beweisen kann, warum dies so ist, dem ist der 1er so gut wie sicher.
  
 
</div>
 
</div>
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$c$ gibt den Schnittpunkt mit der y-Achse an (vgl. das [[Lineare Funktionen#d = Abstand auf der y-Achse ("Ordinatenabschnitt") |d bei den linearen Funktionen]]).
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'''$c$ gibt den Schnittpunkt mit der $y$-Achse an (vgl. das [[Lineare Funktionen#d = Abstand auf der y-Achse ("Ordinatenabschnitt") |$d$ bei den linearen Funktionen]]):'''
  
 +
* Ist $c>0$, so liegt der Schnittpunkt oberhalb der $x$-Achse.
 +
* Ist $c=0$, so geht die Parabel durch den Koordinatenursprung.
 +
* Ist $c<0$, so schneidet die Parabel die $y$-Achse unterhalb der $x$-Achse.
  
−
* Ist $c>0$, so liegt der Schnittpunkt oberhalb der x-Achse.
+
<br>
−
* Ist $c=0$, so geht die Parabel durch den Koodrinatenurspruch.
+
<br>
−
* Ist $c<0$, so schneidet die Parabel die y-Achse unterhalb der x-Achse.
+
<br>
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−
== Nullstellen ==
+
== Zusammenfassung über die Verschiebung einer quadratischen Funktion ==
  
−
[[Datei:Nullstellen.png|thumb|right|400px| Parabeln mit 0, 1 oder 2 Nullstellen]]
+
<ggb_applet width="600" height="450" id="zhAhpKRM" />
  
−
Die [[Nullstelle | Nullstellen]] einer quadratischen Funktion sind die Schnittpunkte der Parabel mit der x-Achse.
 
  
−
Je nachdem, wie die Parabel im Koordinatensystem liegt gibt es:
+
{| align="right"
−
* 2 Nullstellen
+
| <div class="testbutton-blue"> {{#switchtablink:Nullstellen quadratischer Funktionen|$\rightarrow$ nächste Seite ...}} </div>
−
* 1 Nullstelle (=Scheitelpunkt liegt auf der x-Achse)
+
|}
−
* 0 Nullstellen.  
+
  
 +
= Nullstellen quadratischer Funktionen =
 +
== Nullstellen quadratischer Funktionen ==
  
−
Die Nullstellen einer quadratischen Funktion werden berechnet, indem man $f(x)=0$ setzt und dann die [[qudratische Gleichungen | quadratische Gleichung]] $$f(x)=0$$ löst. 
+
[[Datei:Nullstellen.png|thumb|right|400px| Parabeln mit $0, 1$ oder $2$ Nullstellen]]
  
 +
Die [[Nullstelle | Nullstellen]] einer quadratischen Funktion sind die Schnittpunkte der Parabel mit der $x$-Achse.
  
−
Siehe auch [[qudratische Gleichungen]]
+
Je nachdem, wie die Parabel im Koordinatensystem liegt gibt es:
 +
* $2$ Nullstellen
 +
* $1$ Nullstelle ($=$ Scheitelpunkt liegt auf der $x$-Achse)
 +
* $0$ Nullstellen.
  
  
 +
Die Nullstellen einer quadratischen Funktion werden berechnet, indem man $f(x)=0$ setzt und dann die [[quadratische Gleichungen | quadratische Gleichung]] $$0=a\cdot x^2+b\cdot x+c$$ löst. 
  
−
<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:800px">
 
  
−
<span style="color:#A020F0> '''Musterbeispiel:''' Bestimme die Nullstelle der quadratischen Funktion $f(x)=-x^2+6x-5$ </span>
+
$\rightarrow$ siehe auch unter [[Quadratische Gleichungen]]
  
−
<div class="mw-collapsible-content">
 
  
 +
{{Vorlage:Beispiel|1=
 +
Bestimme die Nullstelle der quadratischen Funktion $f(x)=-x^2+6x-5$
 +
|2=
  
−
 
+
Zuerst setzen wir $f(x)=0$:
−
'''Lösung:'''
+
−
Zuerst setzen wir die Funktion 0:  
+
 
$$0=-x^2 + 6 \cdot x - 5$$
 
$$0=-x^2 + 6 \cdot x - 5$$
−
Nun verwenden wir die [[quadratische Gleichungen#die große Lösungsformel | große Lösungsformel]] mit a=-1, b=6 und c=-5
+
Nun verwenden wir ein Lösungsverfahren, um die [[Quadratische Gleichungen|quadratische Gleichung]] zu lösen. Hier als Beispiel verwenden wir [[quadratische Gleichungen#die große Lösungsformel | große Lösungsformel]] mit $a=-1$, $b=6$ und $c=-5$
−
$$ x_{1,2}=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4\cdot a\cdot c}}{2\cdot a}$$
+
$$ x_{1,2}=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4\cdot a\cdot c} }{2\cdot a}$$
−
[[Datei:Quadfkt-nullstelle.png|thumb|200px|right]]
+
[[Datei:Quadfkt-nullstelle.png|thumb|right|200px]]
−
$$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{6^2-4\cdot (-1)\cdot (-5)}}{2\cdot (-1)}$$
+
$$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{6^2-4\cdot (-1)\cdot (-5)} }{2\cdot (-1)}$$
−
$$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{36-20}}{-2}$$
+
$$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{36-20} }{-2}$$
 
$$ x_1=\frac{-6+4}{-2}=1$$
 
$$ x_1=\frac{-6+4}{-2}=1$$
 
$$ x_2=\frac{-6-4}{-2}=5$$
 
$$ x_2=\frac{-6-4}{-2}=5$$
−
'''Antwort:''' Der Graph der Funktion schneidet bei $N_1(1|0)$ und $N_2(5|0)$ die x-Achse.  
+
'''Antwort:''' Der Graph der Funktion schneidet bei $N_1(1\vert 0)$ und $N_2(5\vert 0)$ die $x$-Achse.
−
</div>
+
}}
−
</div>
+
<br>
 +
{| align="right"
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| <div class="testbutton-blue"> {{#switchtablink:Rechenbeispiel|$\rightarrow$ nächste Seite ...}} </div>
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|}
  
 +
=Rechenbeispiel=
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== Typische Rechenbeispiele bei gegebener Funktionsgleichung ==
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{{Vorlage:Beispiel|1= Ein Ball wird in die Höhe geworfen. Die Funktion $h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$ gibt die Höhe des Balles in Metern ($m$) nach $t$ Sekunden ($s$) an.
 
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−
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+
$\ $a) Bestimmen Sie die Abwurfhöhe des Balles.
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::::b) Ermitteln Sie die Höhe des Balles nach $6$ Sekunden.
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 +
::::c) Berechnen Sie, zu welchem Zeitpunkt der Ball auf dem Boden aufkommt.
 +
 
 +
::::d) Ermitteln Sie, zu welchem Zeitpunkt der Ball eine Höhe von $2 m$ hat.
 +
 
 +
::::e) Skizzieren Sie den Graphen von $h(t)$ im Intervall $[-2;8]$.
 +
 
 +
::::f) Erklären Sie, wie mithilfe der Nullstellen der Funktion $h(t)$ jener Zeitpunkt bestimmt werden kann, bei dem der Ball seine maximale Höhe erreicht.
 +
|2=
 +
a) Es gilt $$h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$$ Bereits an $c=3$ erkennt man, dass die Anfangshöhe 3$m$ ist. Alternativ kann man auch für $t=0$ einsetzen (da hier der Beginn ist):
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$$h(0)=-0.1\cdot 0^2+0.3\cdot 0+3$$
 +
$$h(0)=3$$
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 +
 
 +
b) Laut Angabe ist $t=6$. Setzen wir dies in die Funktionsgleichung ein, so erhalten wir:
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$$h(6)=-0.1\cdot 6^2+0.3\cdot 6+3$$
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$$h(6)=1.2\ m$$
 +
 
 +
 
 +
c) Gesucht ist die Nullstelle der Funktion. D. h. für welches $t$ gilt, dass $h(t)=0$ ist:
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$$0=h(t)$$
 +
$$0=-0.1t^2+0.3t+3$$
 +
Nun löst man die Gleichung z. B. mit der [[Quadratische_Gleichungen#L.C3.B6sung_der_allgemeinen_Form_-_die_gro.C3.9Fe_L.C3.B6sungsformel| großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält:
 +
$$t_1=-4.18\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=7.18$$
 +
Der Ball landet nach $7.18 s$ auf dem Boden.
 +
 
 +
 
 +
d) Für welches $t$ ist $h(t)=2$?
 +
$$2=h(t)$$
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$$2=-0.1t^2+0.3t+3\ \ \ \vert -2$$
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$$0=-0.1t^2+0.3t+1$$
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Nun löst man die Gleichung z. B. mit der [[Quadratische_Gleichungen#L.C3.B6sung_der_allgemeinen_Form_-_die_gro.C3.9Fe_L.C3.B6sungsformel| großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält:
 +
$$t_1=-2\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=5$$
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Somit hat der Ball nach $5$ Sekunden eine Höhe von $2 m$.
 +
 
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e)
 +
[[Datei:Quadratische-fkten-Bsp.png|700px|miniatur|zentriert|Graph der Funktion $h(t)$]]
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f) Nach c) lauten die Nullstellen $t_1=-4.18$ und $t_2=7.18$. Da die Parabel symmetrisch zum Scheitelpunkt ist und die Parabel nach unten offen ist ($a=-0.1<0$), liegt der Scheitelpunkt/Hochpunkt genau zwischen den beiden Nullstellen:
 +
$t_{max}=\frac{-4.18+7.18}{2}=1.5$
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Nach $1.5 s$ erreicht der Ball seine maximale Höhe.
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}}
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{| align="right"
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| <div class="testbutton-blue"> {{#switchtablink:Scheitelpunktform|$\rightarrow$ nächste Seite ...}} </div>
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|}
  
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= Scheitelpunktform =
 
== Scheitelpunktform ==
 
== Scheitelpunktform ==
 +
=== Allgemein ===
 
[[Datei:Scheitelpunktform1.gif|right]]
 
[[Datei:Scheitelpunktform1.gif|right]]
 
Neben der Normalform ($f(x)=ax^2+bx+c$) gibt es auch noch die sogenannte Scheitelpunktform der Parabel:
 
Neben der Normalform ($f(x)=ax^2+bx+c$) gibt es auch noch die sogenannte Scheitelpunktform der Parabel:
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$a$... gibt die Steigung (genauso wie bei der Normalform) an.
+
$a$... gibt die Steigung (genauso wie bei der Normalform) an
  
 
$w$... waagrechte Verschiebung des Scheitelpunktes vom Ursprung
 
$w$... waagrechte Verschiebung des Scheitelpunktes vom Ursprung
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[[Grün: Arbeitsblätter | <span style="background-color:#00CD00"> $Aha!$ </span>]]  $\ $ In diesem [https://www.geogebra.org/m/usPFACSy diesem Arbeitsblatt] kannst du die Bedeutung der Scheitelpunktform genauer lernen.
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 +
[[Violett: Quizzes und dynamische Aufgabenblätter| <span style="background-color:#FF3E96"> ? </span>]] $\ $  Und hier findest du eine [https://www.geogebra.org/m/waZEGpHB Aufgabe zur Scheitelpunktform].
 
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<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:800px">
 
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'''Lösung:'''
 
'''Lösung:'''
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* $w=-2$... somit wird die Parabel nach 2 nach rechts verschoben
+
* $w=-2$... Somit wird die Parabel um $2$ nach rechts verschoben.
−
* $s=1$... somit wird die Parabel um 1 hinauf verschoben
+
* $s=1$... Somit wird die Parabel um $1$ hinauf verschoben.
−
* Der Scheitelpunkt S hat folglich die Koordinaten S(2|1).
+
* Der Scheitelpunkt $S$ hat folglich die Koordinaten $S(2|1)$.
−
* $a=0.5$... damit erhält man die Steigung, wenn man 1 nach rechts und 0.5 hinauf geht.  
+
* $a=0.5$... damit erhält man die Steigung, wenn man $1$ nach rechts und $0.5$ hinauf geht.  
  
  
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</div>
 
</div>
  
−
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+
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=== Vorteil der Scheitelpunktform ===
 +
Die Scheitelpunktform hat den Vorteil, dass
  
−
Die Scheitelpunktform hat den Vorteil, dass
 
 
a) bei gegebener Funktionsgleichung direkt die Koordinaten des Scheitelpunktes bestimmt werden können bzw.  
 
a) bei gegebener Funktionsgleichung direkt die Koordinaten des Scheitelpunktes bestimmt werden können bzw.  
−
b) bei gegebenem Graphen direkt mithilfe des Scheitelpunktes w uns s bestimmt werden können.
 
  
 +
b) bei gegebenem Graphen direkt mithilfe des Scheitelpunktes $w$ uns $s$ bestimmt werden können.
 +
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 +
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−
'''Umwandlung von der Scheitelpunktform in die Normalform'''
+
=== Umwandlung von der Scheitelpunktform $y=a\cdot (x+w)^2+s$ in die Normalform $y=ax^2+bx+c$ ===
  
−
'''Umwandlung von der Normalform in die Scheitelpunktform - [[Quadratisches Ergänzen | quadratisches Ergänzen]]'''
+
'''Methode''':
 +
Quadriere die Klammer aus und vereinfache den Term.
  
−
[[Grün: Arbeitsblätter | <span style="background-color:#00CD00"> $Aha!$ </span>]]  $\ $ In diesem [http://www.geogebratube.org/student/m137542 diesem Arbeitsblatt] kannst du die Bedeutung der Scheitelpunktform genauer lernen.  
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Gegeben ist die quadratische Funktion $f(x)=0.5\cdot (x-2)^2+1$ in Scheitelpunktform.
 +
<br>
 +
::::a) Bestimmen Sie die Koordinaten des Scheitelpunktes.
 +
::::b) Wandeln Sie die Funktion in die Normalform $f(x)=ax^2+bx+c$ um.
 +
|2= a) $S(2\vert 1)$, da die Parabel $1$ hinauf ($1=s$...senkrecht) und $2$ nach rechts ($-2=w$...waagrecht) verschoben wurde.
  
−
[[Violett: Quizzes und dynamische Aufgabenblätter| <span style="background-color:#FF3E96"> ? </span>]] $\ $ Und hier findest du eine [http://www.geogebratube.org/student/m79503 Aufgabe zur Scheitelpunktform]
+
b) Wir quadrieren die Klammer aus und vereinfachen (siehe [[Binomische Formeln]]):
 +
$$f(x)=0.5\cdot (x-2)^2+1$$
 +
1. Schritt: Ausquadrieren
 +
$$f(x)=0.5\cdot (x^2-4x+4)+1$$
 +
2. Schritt: Vereinfachen
 +
$$f(x)=0.5x^2-2x+2+1$$
 +
$$f(x)=0.5x^2-2x+3$$
 +
Die Normalform von $f$ lautet $\underline{\underline{f(x)=0.5x^2-2x+3} }$.}}
  
−
<br>
+
=== Umwandlung von der Normalform in die Scheitelpunktform ===
−
<br>
+
 
 +
'''Methode:'''
 +
Um von der Normalform auf die Scheitelpunktform zu kommen, muss man den Funktionsterm [[Quadratisches Ergänzen | quadratisch ergänzen]].
 +
 
 +
 
 +
{{Vorlage:Beispiel|1=Gegeben ist eine quadratische Funktion in Normalform: $f(x)=x^2-2x+3$.
 +
 
 +
Bestimmen Sie die Koordinaten des Scheitelpunktes, indem sie die Funktionsgleichung zuerst in die Scheitelpunktform umformen.|2=Quadratisches Ergänzen bedeutet, den Funktionsterm so umzuformen, bis eine [[Binomische Formeln|binomische Formel]] entsteht:
 +
 
 +
$$f(x)=x^2-2x+3$$
 +
$$f(x)=x^2-(2\cdot 1)\cdot x+3$$
 +
$$f(x)=x^2-2\cdot 1\cdot x+(1+2)$$
 +
$$f(x)=(x^2-2\cdot 1\cdot x+1)+2$$
 +
Nun die binomische Formel $a^2+2ab+b^2=(a+b)^2$ verwenden:
 +
$$\underline{\underline{f(x)=(x-1)^2+2} }$$
 +
Somit haben wir die Scheitelpunktform $f(x)=(x-1)^2+2$ und die Koordinaten des Scheitelpunktes lauten: $(1\vert 2)$ ($s=1$ und $w=+1\rightarrow$ 1 nach rechts) }}
 
<br>
 
<br>
  
 +
'''Füge im folgenden Applet zu jeder Graphik die passende Funktion hinzu.'''
 +
 +
{{#widget:Iframe
 +
|url=  https://LearningApps.org/view391866
 +
|width=  900
 +
|height=  500
 +
|border=0
 +
}}
 +
 +
{| align="right"
 +
| <div class="testbutton-blue"> {{#switchtablink:Funktionsgleichung bestimmen|$\rightarrow$ nächste Seite ...}} </div>
 +
|}
 +
 +
= Funktionsgleichung bestimmen =
 
== Funktionsgleichung bestimmen ==
 
== Funktionsgleichung bestimmen ==
−
'''Typische Aufgabenstellung''':
+
'''Typische Aufgabenstellung:'''  
−
: ''Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der quadratischen Funktion, wenn mehrere Punkte auf der Parabel (=Graph der quadratischen Funktion) gegeben sind''
+
<br>
 +
Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der quadratischen Funktion, wenn mehrere Punkte auf der Parabel ($=$ Graph der quadratischen Funktion) gegeben sind.
  
  
−
'''Lösungsweg:''' Je nachdem, ob der Scheitelpunkt gegeben ist, gibt es zwei verschiedene Lösungswege:
+
'''Lösungsweg:''' Je nachdem, ob der Scheitelpunkt gegeben ist, gibt es zwei verschiedene Lösungswege.
  
−
a) Wenn der Scheitelpunkt gegeben ist verwendet man die Scheitelpunktform und bestimmt anhand der Koordinaten des Scheitelpunktes $w$ und $s$ und anschließend $a$
+
a) Wenn der Scheitelpunkt gegeben ist, verwendet man die Scheitelpunktform und bestimmt anhand der Koordinaten des Scheitelpunktes $w$ und $s$ und anschließend $a$.
  
−
b) Wenn der Scheitelpunkt nicht gegeben ist, verwendet man die Normalform und stellt mithilfe von 3 Punkten insgesamt 3 Gleichungen auf, indem man die Punkte in die Funktionsgleichung $y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ einsetzt.  
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b) Wenn der Scheitelpunkt nicht gegeben ist, verwendet man die Normalform und stellt mithilfe von $3$ Punkten insgesamt $3$ Gleichungen auf, indem man die Punkte in die Funktionsgleichung $y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ einsetzt.  
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* [[Nullstelle|Nullstellen]] berechnet werden müssen  
 
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* Scheitelpunkt bekannt oder ablesbar ist.
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# Man bestimmt 3 Punkte des Graphen und setzt sie in die Funktionsgleichung.
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# Man bestimmt $3$ Punkte des Graphen und setzt sie in die Funktionsgleichung ein.
 
# Das daraus entstehende [[Gleichungssysteme (2.7.)#Gleichungssysteme mit 3 oder mehreren Variablen | Gleichungssystem]] wird gelöst.
 
# Das daraus entstehende [[Gleichungssysteme (2.7.)#Gleichungssysteme mit 3 oder mehreren Variablen | Gleichungssystem]] wird gelöst.
 
| '''Berechnung der [[Parameter]]'''
 
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# w und s können mithilfe des Scheitelpunktes $S=(w,s)$ bestimmt werden.
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# $w$ und $s$ können mithilfe des Scheitelpunktes $S=(w,s)$ bestimmt werden.
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# a erhält man, entweder, indem man einen weiteren Punkt aus dem Graphen in die Funktionsgleichung einsetzt oder $a$ aus dem Graphen abliest (''eins nach rechts, a hinauf/hinab'')
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# $a$ erhält man, indem man einen weiteren Punkt aus dem Graphen in die Funktionsgleichung einsetzt oder $a$ aus dem Graphen abliest (''eins nach rechts, $a$ hinauf/hinab'').
  
 
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Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der abgebildeten Graphen.
 
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$$\rightarrow y=a\cdot(x-2)^2-1$$
  
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Um $a$ zu berechnen, setzen wir nun den Punkt (0,3) ein und erhalten:
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Um $a$ zu berechnen, setzen wir nun den Punkt $(0\vert 3)$ ein und erhalten:
 
$$3=a\cdot (0-2)^2-1$$
 
$$3=a\cdot (0-2)^2-1$$
 
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$$3=a\cdot 4-1$$
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===Online-Übung zur Bestimmung der Funktionsgleichung===
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Bestimme die Funktionsgleichung der Quadratischen Funktion mit $f(x)=ax^2+bx+c$ mithilfe der gegebenen Punkte. <ggb_applet width="500" height="450e" version="5.0" id="Ye3p7Nst" />
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== Beispiele ==
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* [[Violett: Quizzes und dynamische Aufgabenblätter| <span style="background-color: #ff3e96;"> ? </span>]]: Weitere Übung zur [https://www.geogebra.org/m/mkYyjnGk Bestimmung der Funktionsgleichung in Normalform]
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= Matura-Beispiele =
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==Matura-Beispiele==
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* [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color: #7cfc00;">$Bifie$</span>]]: [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=18&file=Wasserstrahl.pdf Wasserstrahl] (Bifie-Aufgabe: mittel-mittel-leicht)
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*: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Nullstelle]]
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* [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color: #7cfc00;">$Bifie$</span>]]: [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=133&file=Laptops.pdf Laptops] (Bifie-Aufgabe: mittel-leicht-leicht)
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*: Siehe auch: [[Quadratische Gleichungen]]
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* [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color: #7cfc00;"> $Bifie$ </span>]]: [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=205&file=Bungeejumping.pdf Bungeejumping] (leicht-mittel-mittel)
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*: Für Aufgabe b) brauchst du den [[Differenzen- und Differentialquotient]] (erst in der 4. Klasse).
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* [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color: #7cfc00;">$Bifie$</span>]]: [https://www.mathago.at/wp-content/uploads/2019/06/A_022.pdf Skispringen] (leicht-mittel-mittel)
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*: Aufgabe b) benötigt Wissen über [[Kurvendiskussionen | Kurvendiskussionen]]
  
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* [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color: #7cfc00;">$Bifie$</span>]]: [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=25&file=Ortsumfahrung.pdf Ortsumfahrung] (Bifie-Aufgabe: mittel-mittel)
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*: Für Aufgabe a) musst du wissen, wie du  [[Bestimmen der Tangentengleichung | die Tangentengleichung bestimmen kannst.]]
  
−
[[Kategorie: Funktionen]]
+
[[Kategorie: Funktionale Abhängigkeiten]]

Aktuelle Version vom 1. Februar 2021, 17:21 Uhr

Abbildung zweier Parabeln samt zugehörigen Funktionsgleichungen


Definition
Grün rufezeichen.png
Die Funktionsgleichung einer quadratischen Funktion (auch Polynomfunktion 2. Grades genannt) lautet $$y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$$

mit $a,b,c\in$ $\mathbb{R} $ und $a\neq 0$.


Hinweis:

  • Wichtig: Der Graph einer quadratischen Funktion ist IMMER eine Parabel und damit $\cup$- oder $\cap$-förmig (siehe Abbildungen rechts).
  • Quadratische Funktionen haben immer genau einen Hoch- oder Tiefpunkt. Diesen nennt man Scheitelpunkt (oder kurz Scheitel).
  • Die Gleichung $ y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ wird als Normalform bezeichnet (sozusagen: im Normalfall ist die Funktion in dieser Form gegeben).
Neben der Normalform gibt es auch noch die Scheitelpunktform $y=a\cdot (x-w)^2+s$


Graph, Parameter und Eigenschaften

$Aha!$ $\ $ Schau dir dieses Arbeitsblatt an und beantworte die darin angeführten Fragen.


Gegeben sei eine quadratische Funktion der Form $$f(x)= a\cdot x^2+b\cdot x+c$$

Dann haben die Parameter $a,\ b$ und $c$ folgende Auswirkungen auf den Graphen der quadratischen Funktion:


Graph mit a.gif


$a$ gibt an, wie stark der Graph steigt oder fällt

  • Ist $a>0$, so ist die Parabel nach oben offen.
  • Ist $a<0$, so ist die Parabel nach unten offen.
  • Je größer $|a|$ ist, desto steiler ist der Graph.
  • $a$ kann abgelesen werden, indem man vom Scheitelpunkt aus eins nach rechts und dann senkrecht zum Graphen geht.


Achtung: Im Gegensatz zu den linearen Funktionen darf man hier immer nur $1$ nach rechts, niemals mehr. Der Grund: Die Steigung der Parabel ändert sich, sie wird immer steiler. Dagegen ist die Steigung der Linearen Funktion immer konstant.

Allgemein gilt: Ist eine Steigung konstant, so ist es egal, ob man z. B. $1$ nach rechts und $3$ hinauf, oder $2$ nach rechts und $6$ hinauf geht.



Graph mit b1.gif


$b$ verschiebt den Scheitelpunkt entlang einer Kurve nach rechts oder links:

Ist $a>0$, so gilt:

  • Ist $b<0$, so liegt der Scheitelpunkt rechts (!) der $y$-Achse.
  • Ist $b>0$, so liegt der Scheitelpunkt links (!) der $y$-Achse.
  • Ist $b=0$, so liegt der Scheitelpunkt genau auf der $y$-Achse. Der Funktionsgraph ist dadurch symmetrisch zur $y$-Achse.

Ist dagegen $a<0$, so bewirkt $b<0$ eine Verschiebung nach links und $b>0$ eine Verschiebung nach rechts (also genau umgekehrt zu $a>0$).


Merke: Für $a>0$:

  • $b<0\rightarrow$ rechts
  • $b>0\rightarrow$ links

Ist $a<0$, dann ist es genau umgekehrt.

Zusatz für Interessierte

Die Kurve, entlang derer die Parabel verschoben wird, ist die Spiegelung der Parabel parallel zur $x$-Achse.

Wer selbstständig beweisen kann, warum dies so ist, dem ist der 1er so gut wie sicher.



Graph mit c1.gif


$c$ gibt den Schnittpunkt mit der $y$-Achse an (vgl. das $d$ bei den linearen Funktionen):

  • Ist $c>0$, so liegt der Schnittpunkt oberhalb der $x$-Achse.
  • Ist $c=0$, so geht die Parabel durch den Koordinatenursprung.
  • Ist $c<0$, so schneidet die Parabel die $y$-Achse unterhalb der $x$-Achse.





Zusammenfassung über die Verschiebung einer quadratischen Funktion


Nullstellen quadratischer Funktionen

Parabeln mit $0, 1$ oder $2$ Nullstellen

Die Nullstellen einer quadratischen Funktion sind die Schnittpunkte der Parabel mit der $x$-Achse.

Je nachdem, wie die Parabel im Koordinatensystem liegt gibt es:

  • $2$ Nullstellen
  • $1$ Nullstelle ($=$ Scheitelpunkt liegt auf der $x$-Achse)
  • $0$ Nullstellen.


Die Nullstellen einer quadratischen Funktion werden berechnet, indem man $f(x)=0$ setzt und dann die quadratische Gleichung $$0=a\cdot x^2+b\cdot x+c$$ löst.


$\rightarrow$ siehe auch unter Quadratische Gleichungen


Bsp.png

Bestimme die Nullstelle der quadratischen Funktion $f(x)=-x^2+6x-5$

Zuerst setzen wir $f(x)=0$:

$$0=-x^2 + 6 \cdot x - 5$$ Nun verwenden wir ein Lösungsverfahren, um die quadratische Gleichung zu lösen. Hier als Beispiel verwenden wir große Lösungsformel mit $a=-1$, $b=6$ und $c=-5$ $$ x_{1,2}=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4\cdot a\cdot c} }{2\cdot a}$$

Quadfkt-nullstelle.png

$$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{6^2-4\cdot (-1)\cdot (-5)} }{2\cdot (-1)}$$ $$x_{1,2}=\frac{-6\pm \sqrt{36-20} }{-2}$$ $$ x_1=\frac{-6+4}{-2}=1$$ $$ x_2=\frac{-6-4}{-2}=5$$ Antwort: Der Graph der Funktion schneidet bei $N_1(1\vert 0)$ und $N_2(5\vert 0)$ die $x$-Achse.


Typische Rechenbeispiele bei gegebener Funktionsgleichung

Bsp.png

Ein Ball wird in die Höhe geworfen. Die Funktion $h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$ gibt die Höhe des Balles in Metern ($m$) nach $t$ Sekunden ($s$) an.
$\ $a) Bestimmen Sie die Abwurfhöhe des Balles.

b) Ermitteln Sie die Höhe des Balles nach $6$ Sekunden.
c) Berechnen Sie, zu welchem Zeitpunkt der Ball auf dem Boden aufkommt.
d) Ermitteln Sie, zu welchem Zeitpunkt der Ball eine Höhe von $2 m$ hat.
e) Skizzieren Sie den Graphen von $h(t)$ im Intervall $[-2;8]$.
f) Erklären Sie, wie mithilfe der Nullstellen der Funktion $h(t)$ jener Zeitpunkt bestimmt werden kann, bei dem der Ball seine maximale Höhe erreicht.


a) Es gilt $$h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$$ Bereits an $c=3$ erkennt man, dass die Anfangshöhe 3$m$ ist. Alternativ kann man auch für $t=0$ einsetzen (da hier der Beginn ist):

$$h(0)=-0.1\cdot 0^2+0.3\cdot 0+3$$ $$h(0)=3$$


b) Laut Angabe ist $t=6$. Setzen wir dies in die Funktionsgleichung ein, so erhalten wir: $$h(6)=-0.1\cdot 6^2+0.3\cdot 6+3$$ $$h(6)=1.2\ m$$


c) Gesucht ist die Nullstelle der Funktion. D. h. für welches $t$ gilt, dass $h(t)=0$ ist: $$0=h(t)$$ $$0=-0.1t^2+0.3t+3$$ Nun löst man die Gleichung z. B. mit der großen Lösungsformel oder mit dem Löse-Befehl und erhält: $$t_1=-4.18\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=7.18$$ Der Ball landet nach $7.18 s$ auf dem Boden.


d) Für welches $t$ ist $h(t)=2$? $$2=h(t)$$ $$2=-0.1t^2+0.3t+3\ \ \ \vert -2$$ $$0=-0.1t^2+0.3t+1$$ Nun löst man die Gleichung z. B. mit der großen Lösungsformel oder mit dem Löse-Befehl und erhält: $$t_1=-2\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=5$$ Somit hat der Ball nach $5$ Sekunden eine Höhe von $2 m$.


e)

Graph der Funktion $h(t)$


f) Nach c) lauten die Nullstellen $t_1=-4.18$ und $t_2=7.18$. Da die Parabel symmetrisch zum Scheitelpunkt ist und die Parabel nach unten offen ist ($a=-0.1<0$), liegt der Scheitelpunkt/Hochpunkt genau zwischen den beiden Nullstellen: $t_{max}=\frac{-4.18+7.18}{2}=1.5$

Nach $1.5 s$ erreicht der Ball seine maximale Höhe.


Scheitelpunktform

Allgemein

Scheitelpunktform1.gif

Neben der Normalform ($f(x)=ax^2+bx+c$) gibt es auch noch die sogenannte Scheitelpunktform der Parabel: $$\textrm{Scheitelpunktform: } f(x)=a\cdot (x-w)^2+s$$

$a$... gibt die Steigung (genauso wie bei der Normalform) an

$w$... waagrechte Verschiebung des Scheitelpunktes vom Ursprung

$s$... senkrechte Verschiebung des Scheitelpunktes vom Ursprung


$Aha!$ $\ $ In diesem diesem Arbeitsblatt kannst du die Bedeutung der Scheitelpunktform genauer lernen.

? $\ $ Und hier findest du eine Aufgabe zur Scheitelpunktform.

Musteraufgabe: Zeichnen Sie den Graphen der Funktion $f(x)=0.5\cdot (x-2)^2+1$ in ein Koordinatensystem. Wählen Sie dabei einen passenden Maßstab.


Scheitelpunktformbsp.png


Lösung:

  • $w=-2$... Somit wird die Parabel um $2$ nach rechts verschoben.
  • $s=1$... Somit wird die Parabel um $1$ hinauf verschoben.
  • Der Scheitelpunkt $S$ hat folglich die Koordinaten $S(2|1)$.
  • $a=0.5$... damit erhält man die Steigung, wenn man $1$ nach rechts und $0.5$ hinauf geht.




Vorteil der Scheitelpunktform

Die Scheitelpunktform hat den Vorteil, dass

a) bei gegebener Funktionsgleichung direkt die Koordinaten des Scheitelpunktes bestimmt werden können bzw.

b) bei gegebenem Graphen direkt mithilfe des Scheitelpunktes $w$ uns $s$ bestimmt werden können.

Umwandlung von der Scheitelpunktform $y=a\cdot (x+w)^2+s$ in die Normalform $y=ax^2+bx+c$

Methode: Quadriere die Klammer aus und vereinfache den Term.


Bsp.png

Gegeben ist die quadratische Funktion $f(x)=0.5\cdot (x-2)^2+1$ in Scheitelpunktform.

a) Bestimmen Sie die Koordinaten des Scheitelpunktes.
b) Wandeln Sie die Funktion in die Normalform $f(x)=ax^2+bx+c$ um.


a) $S(2\vert 1)$, da die Parabel $1$ hinauf ($1=s$...senkrecht) und $2$ nach rechts ($-2=w$...waagrecht) verschoben wurde.

b) Wir quadrieren die Klammer aus und vereinfachen (siehe Binomische Formeln): $$f(x)=0.5\cdot (x-2)^2+1$$ 1. Schritt: Ausquadrieren $$f(x)=0.5\cdot (x^2-4x+4)+1$$ 2. Schritt: Vereinfachen $$f(x)=0.5x^2-2x+2+1$$ $$f(x)=0.5x^2-2x+3$$ Die Normalform von $f$ lautet $\underline{\underline{f(x)=0.5x^2-2x+3} }$.


Umwandlung von der Normalform in die Scheitelpunktform

Methode: Um von der Normalform auf die Scheitelpunktform zu kommen, muss man den Funktionsterm quadratisch ergänzen.


Bsp.png

Gegeben ist eine quadratische Funktion in Normalform: $f(x)=x^2-2x+3$. Bestimmen Sie die Koordinaten des Scheitelpunktes, indem sie die Funktionsgleichung zuerst in die Scheitelpunktform umformen.

Quadratisches Ergänzen bedeutet, den Funktionsterm so umzuformen, bis eine binomische Formel entsteht:

$$f(x)=x^2-2x+3$$ $$f(x)=x^2-(2\cdot 1)\cdot x+3$$ $$f(x)=x^2-2\cdot 1\cdot x+(1+2)$$ $$f(x)=(x^2-2\cdot 1\cdot x+1)+2$$ Nun die binomische Formel $a^2+2ab+b^2=(a+b)^2$ verwenden: $$\underline{\underline{f(x)=(x-1)^2+2} }$$ Somit haben wir die Scheitelpunktform $f(x)=(x-1)^2+2$ und die Koordinaten des Scheitelpunktes lauten: $(1\vert 2)$ ($s=1$ und $w=+1\rightarrow$ 1 nach rechts)


Füge im folgenden Applet zu jeder Graphik die passende Funktion hinzu.

Funktionsgleichung bestimmen

Typische Aufgabenstellung:
Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der quadratischen Funktion, wenn mehrere Punkte auf der Parabel ($=$ Graph der quadratischen Funktion) gegeben sind.


Lösungsweg: Je nachdem, ob der Scheitelpunkt gegeben ist, gibt es zwei verschiedene Lösungswege.

a) Wenn der Scheitelpunkt gegeben ist, verwendet man die Scheitelpunktform und bestimmt anhand der Koordinaten des Scheitelpunktes $w$ und $s$ und anschließend $a$.

b) Wenn der Scheitelpunkt nicht gegeben ist, verwendet man die Normalform und stellt mithilfe von $3$ Punkten insgesamt $3$ Gleichungen auf, indem man die Punkte in die Funktionsgleichung $y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ einsetzt.

Musterbeispiel

Normalform $y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ Scheitelpunktform $ y=a\cdot(x-w)^2+s$
Wird verwendet, wenn:
  • Scheitelpunkt nicht bekannt ist
  • $3$ Punkte auf dem Graphen bekannt sind
  • Nullstellen berechnet werden müssen
Wird verwendet, wenn:
  • Scheitelpunkt bekannt oder ablesbar ist
Berechnung der Parameter
  1. Man bestimmt $3$ Punkte des Graphen und setzt sie in die Funktionsgleichung ein.
  2. Das daraus entstehende Gleichungssystem wird gelöst.
Berechnung der Parameter
  1. $w$ und $s$ können mithilfe des Scheitelpunktes $S=(w,s)$ bestimmt werden.
  2. $a$ erhält man, indem man einen weiteren Punkt aus dem Graphen in die Funktionsgleichung einsetzt oder $a$ aus dem Graphen abliest (eins nach rechts, $a$ hinauf/hinab).
Typische Aufgabenstellung:

Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der abgebildeten Graphen.


Bsp-Funktionsgleichung bestimmen.png


Da der Scheitelpunkt nicht bekannt ist, setzen wir die drei Punkte in die Normalform $y=a\cdot x^2+b\cdot x+c$ ein:


$$(0,3)\rightarrow \ 3=a\cdot 0^2+b\cdot 0+c$$ $$ (1,1)\rightarrow\ 1=a\cdot 1^2+b\cdot 1+c$$ $$ (4,0)\rightarrow\ 0=a\cdot 4^2+b\cdot 4+c$$

Daraus ergibt sich das folgende Gleichungssystem: $$I:\ 0\cdot a+0\cdot b+c=3$$ $$II: \ 1\cdot a+1\cdot b+c=1$$ $$III:\ 16\cdot+4\cdot b+c=0$$

Löst man dieses, so erhält man: $a=0.42,\ b=-2.42$ und $c=3$ $$\rightarrow \underline{\underline{y=0.42x^2-2.24x+3}}$$

Bsp-Funktionsgleichung bestimmen2.png


Der Scheitelpunkt hat die Koordinaten $S(2|-1)$. Somit gilt:

$w=2$, da der Graph um $2$ nach rechts verschoben wurde.

$s=-1$, da der Graph um 1 hinunter verschoben wurde. $$\rightarrow y=a\cdot(x-2)^2-1$$

Um $a$ zu berechnen, setzen wir nun den Punkt $(0\vert 3)$ ein und erhalten: $$3=a\cdot (0-2)^2-1$$ $$3=a\cdot 4-1$$ $$4=4\dot a$$ $$a=1$$ $$\rightarrow \underline{\underline{y=1\cdot(x-2)^2-1}}$$


Hinweis: Dass $a=1$ ist, wäre auch einfacher aus dem Graphen ablesbar gewesen.



Online-Übung zur Bestimmung der Funktionsgleichung

Bestimme die Funktionsgleichung der Quadratischen Funktion mit $f(x)=ax^2+bx+c$ mithilfe der gegebenen Punkte.




Matura-Beispiele