Quadratische Funktionen: Unterschied zwischen den Versionen

[+/-]

Widgets

Widgets

Gewünschte Seiten
Wer ist online?
Aus Matura Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
(→‎Scheitelpunktform)
(→‎Typische Regenbeispiele bei gegebener Funktionsgleichung)
Zeile 156: Zeile 156:
 
d) Ermitteln Sie, zu welchem Zeiptung der Ball eine Höhe von 2 m hat.  
 
d) Ermitteln Sie, zu welchem Zeiptung 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 $$h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$. Bereits am $c=3$ erkennt man, dass die Anfangshöhe 3m ist. Alternativ kann man auch für $t=0$ einsetzen (da hier der Beginn ist):
 +
$$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$$
 +
Nun löst man die Gleichung z.B. mit der [[großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält:
 +
$$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)$$
 +
$$2=-0.1t^2+0.3t+3\ \ \ \vert -2$$
 +
$$0=-0.1t^2+0.3t+1$$
 +
Nun löst man die Gleichung z.B. mit der [[großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält:
 +
$$t_1=-2\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=5$$
 +
Somit hat der Ball nach 5 Sekunden eine Höhe von 5 m.
 +
 +
e)
 +
Bild einfügen
 +
 +
d) 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 ==
 
== Scheitelpunktform ==
 
=== Allgemein ===
 
=== Allgemein ===

Version vom 11. September 2014, 18:02 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} $ .




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 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 quadratischen 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 den Scheitelpunkt entlang einer Kurve nach rechts oder links:


  • Ist $b<0$, so liegt der Scheitelpunkt rechts (!) der y-Achse.
  • Ist $b>0$, so liegt der Scheitelpunkt links (!) der y-Achse.

!Achtung! Merke dir:

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



Zusatz für Interessierte

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.



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 Koodrinatenurspruch.
  • Ist $c<0$, so schneidet die Parabel die y-Achse unterhalb der x-Achse.





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 $$f(x)=0$$ löst.


Siehe auch qudratische Gleichungen


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


Lösung: Zuerst setzen wir die Funktion 0: $$0=-x^2 + 6 \cdot x - 5$$ Nun verwenden wir die 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 $N_1(1|0)$ und $N_2(5|0)$ die x-Achse.




Typische Regenbeispiele bei gegebener Funktionsgleichung

Bsp.png

Ein Ball wird in die Höhe geworfen. Die Funktion $h(t)=-0.1x^2+0.3x+3$ 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 Zeiptung 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 $$h(t)=-0.1t^2+0.3t+3$. Bereits am $c=3$ erkennt man, dass die Anfangshöhe 3m ist. Alternativ kann man auch für $t=0$ einsetzen (da hier der Beginn ist): $$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$$ Nun löst man die Gleichung z.B. mit der [[großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält: $$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)$$ $$2=-0.1t^2+0.3t+3\ \ \ \vert -2$$ $$0=-0.1t^2+0.3t+1$$ Nun löst man die Gleichung z.B. mit der [[großen Lösungsformel]] oder mit dem [[GeoGebra|Löse-Befehl]] und erhält: $$t_1=-2\ \ \ \textrm{ und }\ \ \ t_2=5$$ Somit hat der Ball nach 5 Sekunden eine Höhe von 5 m. e) Bild einfügen d) Nach c) lauten die Nullstellen $t_1=-4.18$ und $t_2=7.18$. Da die Parabel symmetrisch zum Scheitelpunkt ist und die Parabel nach unten offen ist ($a=-0.1<0$), liegt der Scheitelpunkt/Hochpunkt genau zwischen den beiden Nullstellen: $t_{max}=\frac{-4.18+7.18}{2}=1.5$ Nach 1.5 s erreicht der Ball seine maximale Höhe.
== Scheitelpunktform == === Allgemein === [[Datei:Scheitelpunktform1.gif|right]] Neben der Normalform ($f(x)=ax^2+bx+c$) gibt es auch noch die sogenannte Scheitelpunktform der Parabel: $$\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
[[Grün: Arbeitsblätter | $Aha!$ ]] $\ $ In diesem [http://www.geogebratube.org/student/m137542 diesem Arbeitsblatt] kannst du die Bedeutung der Scheitelpunktform genauer lernen. [[Violett: Quizzes und dynamische Aufgabenblätter| ? ]] $\ $ Und hier findest du eine [http://www.geogebratube.org/student/m79503 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.
[[Datei:Scheitelpunktformbsp.png|right]] '''Lösung:''' * $w=-2$... somit wird die Parabel nach 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.
=== Vor- und Nachteil 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! [[Datei:Bsp.png|left]]

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 (=s...senkrecht) und 2 nach rechts (-2=w=waagrecht) verschoben wurden. 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 [[Quadratisches Ergänzen | quadratisch ergänzen]]. [[Datei:Bsp.png|left]]

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 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)



== 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''' {| border="1" !| 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. * [[Nullstelle|Nullstellen]] berechnet werden müssen. |'''Wird verwendet, wenn:''' * Scheitelpunkt bekannt oder ablesbar ist. |- | '''Berechnung der [[Parameter]]''' # Man bestimmt 3 Punkte des Graphen und setzt sie in die Funktionsgleichung. # Das daraus entstehende [[Gleichungssysteme (2.7.)#Gleichungssysteme mit 3 oder mehreren Variablen | Gleichungssystem]] wird gelöst. | '''Berechnung der [[Parameter]]''' # w und s können mithilfe des Scheitelpunktes $S=(w,s)$ bestimmt werden. # 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'') |- |colspan="2" align="center" | '''Typische Aufgabenstellung:''' Bestimmen Sie die Funktionsgleichung der abgebildeten Graphen |- |
[[Datei:Bsp-Funktionsgleichung bestimmen.png|thumb|300px|center]]
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 $c=3$ $$\rightarrow \underline{\underline{y=0.42x^2-2.24x+3}}$$ |[[Datei:Bsp-Funktionsgleichung bestimmen2.png|thumb|center|300px]]
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 (0,3) 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-Übungsmaterialien


Matura-Beispiele