Lösung b): Unterschied zwischen den Versionen
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(→Jeder Graph Ga bestitzt genau einen Wendepunkt Wa. Zeigen sie, dass die Wendepunkte Wa auf einer parallelen zur t-Achse liegen) |
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− | :<math>y = f_{a}(t) = \frac{2\cdot e^{at}}{e^{at}+29}</math> | + | :<math>y = f_{a}(t) = \frac{2\cdot e^{at}}{e^{at}+29},</math> <math>t\in R, a\in R, a>0</math> |
:<math>f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}} </math> | :<math>f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}} </math> | ||
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'''<u>Suche nach Nullstellen:</u>''' | '''<u>Suche nach Nullstellen:</u>''' | ||
− | + | Um die Nullstellen einer Funktion zu finden, muss man einfach die Funktion gleich 0 setzen und sehen, für welche t-Werte die Funktion gleich 0 wird. | |
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− | <math>\ | + | :<math>f_{a}(t) = \frac{2\cdot e^{at}}{e^{at}+29} = 0\;</math><br /> |
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+ | :<math>e^{at} = 0\;\;\;\;\;\;\;\; (f)</math><br /> | ||
+ | Daraus folgt, dass es keine Nullstellen gibt, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck <math>e^{at}\;</math> ebenfalls nie 0 werden kann. | ||
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'''<u>Suche nach Extremstellen:</u>''' | '''<u>Suche nach Extremstellen:</u>''' | ||
− | <math>f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}} = 0 \ | + | Um die Extrempunkte einer Funktion zu finden, muss man die 1. Ableitung gleich 0 setzen und sehen, für welche t-Werte die Funktion gleich 0 wird. Anschließend muss überprüft werden, ob an dieser Stelle wirklich ein Extrempunkt vorliegt. Dies kann mittels der Vorzeichentabelle, der h-Methode (beide im späteren Verlauf beim Nachweis des Wendepunkts erläutert) und der [[Facharbeit Mathematik Straßheimer/Die Aufgabe/Lösung b)/Verfahren Extremwertbeweis durch 2. Ableitung|2. Ableitung]] gemacht werden. |
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+ | :<math>f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}} = 0\;</math><br /> | ||
+ | :<math>58\cdot a \cdot e^{at} = 0\;</math><br /> | ||
+ | :<math>e^{at} = 0\;\;\;\;\;\;\;\; (f)</math><br /> | ||
− | + | Daraus folgt, dass es keine Extremstellen gibt, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck <math>e^{at}\;</math> ebenfalls nie 0 werden kann. | |
==Jeder Graph G<sub>a</sub> bestitzt genau einen Wendepunkt W<sub>a</sub>. Zeigen sie, dass die Wendepunkte W<sub>a</sub> auf einer parallelen zur t-Achse liegen== | ==Jeder Graph G<sub>a</sub> bestitzt genau einen Wendepunkt W<sub>a</sub>. Zeigen sie, dass die Wendepunkte W<sub>a</sub> auf einer parallelen zur t-Achse liegen== | ||
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+ | Um einen Wendepunkt zu bestimmen, muss man die 2. Ableitung der Funktion betrachten, da diese das Krümmungsverhalten der Funktion beschreibt. Ein Wendepunkt kann nur an der Stelle vorliegen, an der die 2. Ableitung gleich 0 ist. Anschließend muss noch überprüft werden, ob es an dieser Stelle wirklich einen Wendepunkt geben kann. Zuletzt muss nur noch, nach der erfolgreichen Überprüfung und des Beweises eines Wendepunktes, die t-Koordinate des Wendepunktes in die Funktion eingesetzt werden und der y-Wert bestimmt werden. | ||
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'''<u>Die 2. Ableitung:</u>''' | '''<u>Die 2. Ableitung:</u>''' | ||
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+ | Bei der Bildung der 2. Ableitung ist darauf zu achten, dass in diesem Fall nicht nur [http://www.frustfrei-lernen.de/mathematik/ableitung-produktregel-quotientenregel-ableitungsregel.html die Quotientenregel] verwendet werden muss, sondern auch [http://www.frustfrei-lernen.de/mathematik/ableitung-kettenregel.html die Kettenregel]. | ||
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<math>f''_{a}(t) = \frac{58\cdot a \cdot e^{at}\cdot a\cdot(e^{at}+29)^{2} - 2 \cdot(e^{at} + 29)\cdot e^{at}\cdot a \cdot 58 \cdot a \cdot e^{at} }{(e^{at} + 29) ^{4} } =</math><br /> | <math>f''_{a}(t) = \frac{58\cdot a \cdot e^{at}\cdot a\cdot(e^{at}+29)^{2} - 2 \cdot(e^{at} + 29)\cdot e^{at}\cdot a \cdot 58 \cdot a \cdot e^{at} }{(e^{at} + 29) ^{4} } =</math><br /> | ||
::<math>= \frac{58\cdot a^{2} \cdot e^{at}\cdot (e^{at} + 29) - 2\cdot a^{2} \cdot (e^{at})^{2}\cdot 58 }{(e^{at}+29)^{3}} = 58\cdot a^{2}\cdot \frac{(e^{at})^{2} + 29\cdot e^{at} - 2(e^{at})^2}{(e^{at} + 29)^{3}} = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}}</math> | ::<math>= \frac{58\cdot a^{2} \cdot e^{at}\cdot (e^{at} + 29) - 2\cdot a^{2} \cdot (e^{at})^{2}\cdot 58 }{(e^{at}+29)^{3}} = 58\cdot a^{2}\cdot \frac{(e^{at})^{2} + 29\cdot e^{at} - 2(e^{at})^2}{(e^{at} + 29)^{3}} = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}}</math> | ||
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'''<u>Suche nach dem Wendepunkt:</u>''' | '''<u>Suche nach dem Wendepunkt:</u>''' | ||
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+ | Um den Wendepunkt zu finden, muss man die 2. Ableitung gleich 0 setzen. Die t-Koordinate, die man als mögliches Ergebnis bekommt, ist die Stelle, an der ein Wendepunkt auftreten kann. | ||
<math>f''_{a}(t) = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}} = 0 </math> | <math>f''_{a}(t) = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}} = 0 </math> | ||
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:::<math>ln(29) + ln(e^{at}) = ln(e^{2at})\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;| - ln(e^{at})\;</math> | :::<math>ln(29) + ln(e^{at}) = ln(e^{2at})\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;| - ln(e^{at})\;</math> | ||
:::<math>ln(e^{2at}) - ln(e^{at}) = ln(29)\;</math> | :::<math>ln(e^{2at}) - ln(e^{at}) = ln(29)\;</math> | ||
− | ::<math>2at \cdot ln(e) - at\cdot ln(e) = ln(29) | + | ::<math>2at \cdot ln(e) - at\cdot ln(e) = ln(29)</math> |
::::::<math>2at - at = ln(29)\;</math> | ::::::<math>2at - at = ln(29)\;</math> | ||
::::::::<math>at = ln(29)\;</math> | ::::::::<math>at = ln(29)\;</math> | ||
::::::::<math>t = \frac {ln29} {a}</math> | ::::::::<math>t = \frac {ln29} {a}</math> | ||
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+ | Daraus folgt, dass es an der Stelle <math>t = \frac {ln29} {a}</math> einen Wendepunkt geben kann. Dies muss allerdings noch weiter überprüft und bewiesen werden. | ||
'''<u>Beweis für Wendepunkt:</u>''' | '''<u>Beweis für Wendepunkt:</u>''' | ||
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− | Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der H-Methode. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt. | + | Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der [[Facharbeit Mathematik Straßheimer/Die Aufgabe/Lösung b)/Weitere Verfahren/H-Methode|h-Methode]]. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt. |
Man zerlegt die 2. Ableitung in seine einzelnen Faktoren und betrachtet das Verhalten vor dem möglichen Wendepunkt und nach dem möglichen Wendepunkt. Man notiert sich nun, ob es einen Vorzeichenwechsel bei einem der Faktoren gibt und schlussfolgert aus den einzelnen Vorzeichenwechsel den Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung.<br /> | Man zerlegt die 2. Ableitung in seine einzelnen Faktoren und betrachtet das Verhalten vor dem möglichen Wendepunkt und nach dem möglichen Wendepunkt. Man notiert sich nun, ob es einen Vorzeichenwechsel bei einem der Faktoren gibt und schlussfolgert aus den einzelnen Vorzeichenwechsel den Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung.<br /> | ||
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Aus der Vorzeichentabelle lässt sich nun ganz leicht erkennen, dass es an der Stelle <math>\frac {ln29}{a}</math> einen Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung von <math>+</math> zu <math>-</math> gibt. Somit ist es ein Beweis für einen Wendepunkt. | Aus der Vorzeichentabelle lässt sich nun ganz leicht erkennen, dass es an der Stelle <math>\frac {ln29}{a}</math> einen Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung von <math>+</math> zu <math>-</math> gibt. Somit ist es ein Beweis für einen Wendepunkt. | ||
+ | Es gibt noch 2 weitere Beweisverfahren, welche mathematisch gesehen etwas korrekter sind, allerdings für eine Prüfung wie das Abitur nicht zu empfehlen sind. Falls jemand diese Beweisverfahren sehen möchte, bitte [[Facharbeit Mathematik Straßheimer/Die Aufgabe/Lösung b)/Weitere Verfahren|hier klicken]].<br /> | ||
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'''<u>Begründung, warum alle Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen:</u>''' | '''<u>Begründung, warum alle Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen:</u>''' | ||
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==Zeichnen sie die Graphen G<sub>0,75</sub> und G<sub>1</sub> in ein und dasselbe Koordinatensystem und schlussfolgern Sie, welchen Einfluss der Parameter a auf den Verlauf der Graphen G<sub>a</sub> hat== | ==Zeichnen sie die Graphen G<sub>0,75</sub> und G<sub>1</sub> in ein und dasselbe Koordinatensystem und schlussfolgern Sie, welchen Einfluss der Parameter a auf den Verlauf der Graphen G<sub>a</sub> hat== | ||
− | [[Bild:Graph- | + | [[Bild:Graph-facharbeit11.png|350px|right]] |
− | Man soll nun die beiden Graphen G<sub>1</sub> und G<sub>0,75</sub> miteinander vergleichen. Im nebenstehenden Bild kann man die Graphen, sowie die beiden Wendepunkte und die Ortskurve der Wendepunkte erkennen. Der rote Graph beschreibt die Funktion <math>f_{0,75} (t)\;</math> und der | + | Man soll nun die beiden Graphen G<sub>1</sub> und G<sub>0,75</sub> miteinander vergleichen. Im nebenstehenden Bild kann man die Graphen, sowie die beiden Wendepunkte und die Ortskurve der Wendepunkte erkennen. Der rote Graph beschreibt die Funktion <math>f_{0,75} (t)\;</math> und der blaue die Funktion <math>f_{1} (t)\;</math>. |
− | Anhand der Graphen lässt sich nun sehr leicht der Einfluss der Variablen a auf den Graphen der Funktion festmachen. Wie man erkennen kann, ist die Variable a für die Steigung des Graphen verantwortlich. Je größer a wird, desto größer ist die Steigung im Wendepunkt WP<sub>a</sub>. | + | Anhand der Graphen lässt sich nun sehr leicht der Einfluss der Variablen a auf den Graphen der Funktion festmachen. Wie man erkennen kann, ist die Variable a für die maximale Steigung des Graphen verantwortlich. Je größer a wird, desto größer ist die Steigung im Wendepunkt WP<sub>a</sub>. Außerdem verlagert sich die t-Koordinate, des Wendepunkts immer weiter nach "links", was bedeutet, dass sie immer kleiner wird. |
− | Für diejenigen, die den allgemeinen Verlauf in | + | Für diejenigen, die den allgemeinen Verlauf in Abhängigkeit von a nochmals sehen wollen<br /> |
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+ | [[Facharbeit Mathematik Straßheimer/Die Aufgabe|Zurück zur Aufgabe]] |
Aktuelle Version vom 29. Januar 2010, 00:23 Uhr
Untersuchen sie die Funktionen fa auf Nullstellen und lokale Extremstellen
Suche nach Nullstellen:
Um die Nullstellen einer Funktion zu finden, muss man einfach die Funktion gleich 0 setzen und sehen, für welche t-Werte die Funktion gleich 0 wird.
Daraus folgt, dass es keine Nullstellen gibt, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck ebenfalls nie 0 werden kann.
Suche nach Extremstellen:
Um die Extrempunkte einer Funktion zu finden, muss man die 1. Ableitung gleich 0 setzen und sehen, für welche t-Werte die Funktion gleich 0 wird. Anschließend muss überprüft werden, ob an dieser Stelle wirklich ein Extrempunkt vorliegt. Dies kann mittels der Vorzeichentabelle, der h-Methode (beide im späteren Verlauf beim Nachweis des Wendepunkts erläutert) und der 2. Ableitung gemacht werden.
Daraus folgt, dass es keine Extremstellen gibt, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck ebenfalls nie 0 werden kann.
Jeder Graph Ga bestitzt genau einen Wendepunkt Wa. Zeigen sie, dass die Wendepunkte Wa auf einer parallelen zur t-Achse liegen
Um einen Wendepunkt zu bestimmen, muss man die 2. Ableitung der Funktion betrachten, da diese das Krümmungsverhalten der Funktion beschreibt. Ein Wendepunkt kann nur an der Stelle vorliegen, an der die 2. Ableitung gleich 0 ist. Anschließend muss noch überprüft werden, ob es an dieser Stelle wirklich einen Wendepunkt geben kann. Zuletzt muss nur noch, nach der erfolgreichen Überprüfung und des Beweises eines Wendepunktes, die t-Koordinate des Wendepunktes in die Funktion eingesetzt werden und der y-Wert bestimmt werden.
Die 2. Ableitung:
Bei der Bildung der 2. Ableitung ist darauf zu achten, dass in diesem Fall nicht nur die Quotientenregel verwendet werden muss, sondern auch die Kettenregel.
Suche nach dem Wendepunkt:
Um den Wendepunkt zu finden, muss man die 2. Ableitung gleich 0 setzen. Die t-Koordinate, die man als mögliches Ergebnis bekommt, ist die Stelle, an der ein Wendepunkt auftreten kann.
Daraus folgt, dass es an der Stelle einen Wendepunkt geben kann. Dies muss allerdings noch weiter überprüft und bewiesen werden.
Beweis für Wendepunkt:
1. Möglichkeit: Vorzeichentabelle
Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der h-Methode. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt.
Man zerlegt die 2. Ableitung in seine einzelnen Faktoren und betrachtet das Verhalten vor dem möglichen Wendepunkt und nach dem möglichen Wendepunkt. Man notiert sich nun, ob es einen Vorzeichenwechsel bei einem der Faktoren gibt und schlussfolgert aus den einzelnen Vorzeichenwechsel den Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung.
Aus der Vorzeichentabelle lässt sich nun ganz leicht erkennen, dass es an der Stelle einen Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung von
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gibt. Somit ist es ein Beweis für einen Wendepunkt.
Es gibt noch 2 weitere Beweisverfahren, welche mathematisch gesehen etwas korrekter sind, allerdings für eine Prüfung wie das Abitur nicht zu empfehlen sind. Falls jemand diese Beweisverfahren sehen möchte, bitte hier klicken.
Begründung, warum alle Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen:
Da wir nun zweifelsfrei nachgewiesen haben, dass es einen Wendepunkt an der Stelle gibt, muss nun gezeigt werden, dass alle diese Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen.
Bedingung: Alle y-Werte müssen gleich sein
An dem y-Wert sieht man, dass jeder Wendepunkt den y-Wert 1 hat und dieser völlig unabhängig von a ist. Somit ist zweifelsfrei nachgewiesen worden, dass alle Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen
Zeichnen sie die Graphen G0,75 und G1 in ein und dasselbe Koordinatensystem und schlussfolgern Sie, welchen Einfluss der Parameter a auf den Verlauf der Graphen Ga hat
Man soll nun die beiden Graphen G1 und G0,75 miteinander vergleichen. Im nebenstehenden Bild kann man die Graphen, sowie die beiden Wendepunkte und die Ortskurve der Wendepunkte erkennen. Der rote Graph beschreibt die Funktion und der blaue die Funktion
.
Anhand der Graphen lässt sich nun sehr leicht der Einfluss der Variablen a auf den Graphen der Funktion festmachen. Wie man erkennen kann, ist die Variable a für die maximale Steigung des Graphen verantwortlich. Je größer a wird, desto größer ist die Steigung im Wendepunkt WPa. Außerdem verlagert sich die t-Koordinate, des Wendepunkts immer weiter nach "links", was bedeutet, dass sie immer kleiner wird.
Für diejenigen, die den allgemeinen Verlauf in Abhängigkeit von a nochmals sehen wollen