LK Mathematik Abitur NRW 2007: Unterschied zwischen den Versionen
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'''''<span style="color: darkorange">Es soll bestimmt werden, abhängig vom Parameter a, zu welchen Monaten kein Wasser durch den Fluss fließt.</span>''''' | '''''<span style="color: darkorange">Es soll bestimmt werden, abhängig vom Parameter a, zu welchen Monaten kein Wasser durch den Fluss fließt.</span>''''' | ||
− | Es sind die Zeitpunkte gesucht, an denen der y - Wert ''Kubikmeter in Millionen'' gleich Null ist. An dieser Nullstelle fließt also kein Wasser durch den Fluss | + | {| |
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+ | :Es sind die Zeitpunkte gesucht, an denen der y - Wert ''Kubikmeter in Millionen'' gleich Null ist. An dieser Nullstelle fließt also kein Wasser durch den Fluss. | ||
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− | : | + | :Aus der Animation des Applets kann man erkennen, |
− | : | + | :* dass '''jede Funktion f (t) zwei Nullstellen''' besitzt. |
+ | :* dass die '''erste''' Nullstelle '''immer im Ursprung''' ist. <small> N<sub>1</sub>( 0 / 0 )</small> | ||
+ | :* dass die '''zweite''' Nullstelle | ||
+ | ::* von '''a abhängig''' ist, da sie sich, bei Wechsel von a, verändert.'' | ||
+ | ::* eine '''doppelte Nullstelle''' ist, da sie an der Stelle einen Vorzeichenwechsel der Steigung besitzt. | ||
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+ | <popup name="Rechnerische Lösung"> | ||
+ | :Durch Ausklammern von t erhält man zum einen die erste Nullstelle, zum anderen auch eine quadratische Funktion, welche man mit Hilfe der [http://de.wikipedia.org/wiki/Quadratische_Gleichung#L.C3.B6sungsformeln Mitternachtsformel] lösen kann. | ||
:<math>f(t) = t (\frac{1}{4} t^2 - a t + a^2) \rightarrow t_1 = 0 \Rightarrow N_1\left( 0 / 0 \right) </math> | :<math>f(t) = t (\frac{1}{4} t^2 - a t + a^2) \rightarrow t_1 = 0 \Rightarrow N_1\left( 0 / 0 \right) </math> | ||
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:<math>\frac{1}{4} t^2 - a t + a^2 \rightarrow t_2 = 2a \Rightarrow N_2\left( 2a / 0 \right) </math> | :<math>\frac{1}{4} t^2 - a t + a^2 \rightarrow t_2 = 2a \Rightarrow N_2\left( 2a / 0 \right) </math> | ||
:<u>Der Fluss trocknet zu den Zeitpunkten t = 0 und t = 2a aus, es fließt also kein Wasser durch den Fluss.</u> | :<u>Der Fluss trocknet zu den Zeitpunkten t = 0 und t = 2a aus, es fließt also kein Wasser durch den Fluss.</u> | ||
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+ | <ggb_applet width="417" height="418" version="3.2" ggbBase64="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" framePossible = "true" showResetIcon = "false" showAnimationButton = "true" enableRightClick = "false" errorDialogsActive = "true" enableLabelDrags = "false" showMenuBar = "false" showToolBar = "false" showToolBarHelp = "false" showAlgebraInput = "false" /> | ||
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===Aufgabe: Extremwerte=== | ===Aufgabe: Extremwerte=== |
Version vom 15. Januar 2010, 14:44 Uhr
Inhaltsverzeichnis |
Angabe
Mit Hilfe der folgenden Funktion kann man beispielsweise die Wasserstände eines Flusses vorherzusagen. Diese Beschreibung der Durchflussgeschwindigkeit sei durch die Funktionenschar fa mit , a > 0
Die Funktion gibt dabei die Durchflussgeschwindigkeit in 106 und t die verstrichene Zeit in Monaten seit Beginn der Vorhersage
(t = 0) an. Die Funktion berücksichtigt, dass es sich um einen Fluss handelt, der zeitweise austrocknet.
Aufgabe: Nullstellen
Es soll bestimmt werden, abhängig vom Parameter a, zu welchen Monaten kein Wasser durch den Fluss fließt.
|
|
Aufgabe: Extremwerte
Es soll, in Abhängigkeit von a, ermittelt werden, zu welchen Zeitpunkten t ein relatives Maximum bzw. Minimum vorliegt. Diese Funktionswerte sollen berechnet werden.
Maxima und Minima sind Punkte auf einer Funktion, die in ihrem im Umkreis die höchsten beziehungsweise tiefsten Punkte auf dem Graphen sind. Um diese Extremwerte einer Funktion zu errechnen, wird die erste Ableitung benötigt.
Die allgemeine Ableitungsregel ist: |
- Bestimme nun die erste Ableitung der Funktion
- Bestimme nun die erste Ableitung der Funktion
- Errechne nun die Koordinaten der Extremwerte.
- Um die t - Werte der Extremwerte zu erhalten, setzt man die Funktion f '(t) = 0. Da man nun eine quadratischen Gleichung bekommt, kann man, mit Hilfe der "Mitternachtsformel", die beiden Lösungen ausrechnen. Schließlich setzt man die errechneten t - Werte in die Funktion ein und erhält somit die y - Koordinaten der Extremwerte E1 und E2.
- Am Schönsten sind die Extremwerte für a = 3 zu errechnen und graphisch zu sehen, da sich die Koordinaten
( 6 / 0 ) und
( 2 / 8 ) ergeben.
Man hat nun die Extremwerte in Abhängigkeit von a ermittelt. Um nun zu prüfen ob es sich bei den Extrema um Maxima oder Minima handelt, kann man hier anhand verschiedener Lösungen vorgehen.
- Lösung 1: Krümmungsverhalten an den Extremwerten
- Dazu setzt man einfach die t - Koordinate in die zweite Ableitung ein. Wird die zweite Ableitung größer Null ist es ein Minimum und die Funktion ist linksgekrümmt, dass heißt es handelt sich um eine "Linkskurve". Ist die zweite Ableitung hingegen kleiner Null, handelt es sich um eine Rechtskrümmung und um ein Maximum. Wäre die zweite Ableitung gleich Null, handelt es sich bei dem Extremwert um einen Terassenpunkt, dass heißt, dass die Steigung der Funktion keinen Vorzeichenwechsel an dieser Stelle hat.
- Gib mit dieser Lösungsmöglichkeit die Art der Extremwerte an.
- Die zweite Ableitung lautet:
- Die zweite Ableitung lautet:
- da a > 0
Rechtskrümmung
ist Minimum
- da a > 0
- da a größer als Null definiert ist, gilt
- (a) < 0
Linkskrümmung
ist Maximum
- da a größer als Null definiert ist, gilt
- Lösung 2: h - Methode
- Mit Hilfe der h - Methode untersucht man, wie sich der Graph "ein Stückchen links und ein Stückchen rechts" vom Extremwert verhält. Dazu nimmt man die erste Ableitung, setzt einmal f '(
) und einmal f '(
) ein, um das Verhalten von Gf für t < 2a bzw t > 2a zu bestimmen. Ergibt sich hier je ein positiver und ein negativer Wert, weiß man, dass es sich um einen Extremwert handelt. Ist beispielsweise f '(
) < 0 und f '(
) > 0, dann liegt ein Minimum vor, da links vom Extremwert der Graph fällt, und rechts steigt. Wenn sich zweimal das gleiche Vorzeichen für t < 2a bzw t > 2a ergeben sollte, dann handelt es sich um keinen direkten Extremwert, sondern um einen, wie bereits in Lösung 1 beschriebenen, Terassenpunkt.
- Versuche auch, mit Hilfe der h - Methode, die Art der Extrempunkte zu bestimmen.
und
und
Daraus ergibt sich nun folgendes, graphisches Monotonieverhalten.
ist Minimum
![\Rightarrow E_2\left( \frac{2}{3}a / \frac{8}{27}a^3 \right)](/images/math/4/e/3/4e39128864203efb894f66202b6697ab.png)
- Lösung 3: Vorzeichentabelle
- Man schreibt die Ableitung nicht als Summen, sondern als Produkte. Da mann die Nullstellen der ersten Ableitung kennt, kann man dies machen. Allgemein würde es heißen
,
- wobei t1 und t2 die t - Werte des Extrempunktes sind.
- Nun stellt man eine Vorzeichentabelle für jeden Faktor auf und erhält durch multiplizieren der Vorzeichen das Monotonieverhalten und dadurch die Arten der Extremwerte.
- Zerlege die Ableitung in ein Produkt und verdeutliche mit Hilfe einer Vorzeichentabelle die Art der Extremwerte.
Aufgabe: Wendepunkt
Es soll, in Abhängigkeit von a bestimmt werden, wann die Druchflussgeschwindigkeit besonders stark absinkt. Dieser Wert soll zum Zeitpunkt t berechnet werden.
Hier ist der Punkt gesucht, an dem die Durchflussgeschwindigkeit am stärksten absinkt. Dazu schaut man sich die erste Ableitung näher an, da diese die Steigung eines Graphen Gf zeigt.
- Es ist also das Minimum der ersten Ableitung gesucht. Dazu setzt man die Ableitung von f '(t) gleich Null. Die Ableitung der Ableitung ist gleich der zweiten Ableitung der Funktion f (t). An dem erhaltenem Punkt besitzt der Graph Gf den größten negativen Steigungswert. Dieser Punkt heißt Wendepunkt. An ihm ändert der Graph sein Krümmungsverhalten.
- Errechne die Koordinaten des Wendepunktes.
- Der Punkt, an welchem die Funktion besonders stark abfällt ist zugleich der Wendepunkt
- Der Punkt, an welchem die Funktion besonders stark abfällt ist zugleich der Wendepunkt
- Merke: Es handelt sich nur um einen Wendepunkt, wenn folgende Kriterien erfüllt sind.
Aufgabe: Theoretische Überlegungen zur Funktion
Warum liegt kein Punkt der Funktionsgraphen von fa im Bereich unterhalb der t - Achse und inwiefern ist dies mit dem zugrunde liegenden Sachverhalt vereinbar.
- Begründe dies.
- Es liegt kein Punkt im Intervall
unterhalb der t - Achse, da es hier um eine Funktion mit realem Bezug geht. Läge ein Punkt bei der gegebenen Aufgabenstellung im vierten Quadranten, würde dies bedeuten, dass eine negative Durchflussgeschwindigkeit vorliegt. Dies ist nicht möglich, da sonst ein negatives Volumen an Wasser im Fluss vorhanden wäre. Deshalb ist kein Punkt der Funktionsgraphen fa im vierten Quadranten definiert.
- Es liegt kein Punkt im Intervall
- Um das Verhalten eines Graphen, welcher gegen
geht, zu bestimmen, wird statt f (t)
geschrieben. Um nun bei einer Potenzfunktion den Grenzwert zu ermitteln, klammert man die höchste Potenz aus, erhält ein Produkt und kann somit leichter, als bei einer Summe, den Grenzwert bestimmen.
- Bestimme das Verhalten von fa für
angegeben werden.
- Bestimme das Verhalten von fa für
- Für
geht die Funktion gegen +
- Für
- Des Weiteren soll begründet werden, ob die Funktionen auch nach den ersten 8 Monate noch eine sinnvolle Beschreibung der Durchflussgeschwindigkeit liefern, aufgrund des berechneten Grenzwertes in der vorherigen Aufgabe.
- Nach den ersten 8 Monaten verhält sich die Funktion so, dass sie immer stärker ansteigt. Dies ist an der Parabel, welche die Steigung anzeigt, erkennbar. Da die Funktion fa (t) vorhersagen soll, wieviel Wasser sich zu einem Zeitpunkt t im Wasser befindet. Wenn man nun, anhand der Funktion vorhersagen soll, wieviel Wasser in zwei Jahren ( also 24 Monaten ) ergibt sich ein Wasserstandswert, der mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht erreicht werden wird.
- Nehmen wir nun mal das Beispiel t = 24 und a = 3.
- Da das Ergebnis in Millionenkubikmeter pro Monat angegeben ist, wäre dann der Wert
. Dieser Wasserstandswert wäre eine ziemlich grobe Abweichung vom Realwert. Aus diesem Grund handelt es sich bei der Funktion eher um eine Sinusähnliche Funktion, als um eine, die gen Unendlich exponential ansteigt. Dies würde heißen, dass das zweite Austrocknen auf der t - Achse verschoben wird, wieder als t = 0 definiert werden würde, und die Funktion fa (t) wieder von vorne starten würde.
- Da das Ergebnis in Millionenkubikmeter pro Monat angegeben ist, wäre dann der Wert
Aufgabe: Flächenberechnung einer Funktion
Ermittle für a = 3, wie viel Liter Wasser in den ersten sechs Monaten durch den Fluss fließen.
- Um Auszurechnen, wieviel Kubikliter Wasser durch den Fluss fließen, errechnet man die Fläche unter der Funktion. Einfache, bereits bekannte Flächenberechnungen gibt es bei linearen Funktionen. Um hier die Fläche auszurechnen, die der Graph mit der x - Achse einschließt, nimmt man einfach die gebräuchlichen Flächenformeln, wie die Rechtecksformel oder die Dreiecksformel.
- Hier siehst du ein Beispiel dazu.
- Bei Funktionen mit höcheren Potenzen benötigt man die Hilfe der Integralrechnung.
- Es muss gelten: F' (t) = f (t)
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- a ist die untere Grenze, b die obere. Die Funktion wird im Intervall [ a; b ] integriert.
- Gebe die Funktion F (t) an und errechne mit ihr für a = 3, wieviel Liter in den ersten sechs Monaten durch den Fluss geflossen sind.
- Die obere Grenze ist: 6 Nach den ersten sechs Monaten
- Die untere Grenze ist: 0
- Für a = 3 fließen in den ersten sechs Monaten 27*109 Liter Wasser durch den Fluss. ( 27*106 m3 = 27*109 Liter)
- Merke: Die Funktion muss im Intervall stetig und differenzierbar sein ! Ist dies nicht erfüllt, ist eine Integration nicht möglich.
Aufgabe: Flächengleichheit zweier Funktionen
Betrachte nun zwei unterschiedliche Funktionen fa1 und fa2. Es soll der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem für beide Funktionsannahmen (seit t = 0) genau gleich viel Wasser durch den Fluss geflossen wäre.
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- Im Weiteren wird eine Funktion mit Parameter a, die andere mit Parameter b bezeichnet. Wobei gilt:
- Fa (t) = Fb (t)
- Somit sind zwei Funktionen Fa und Fb flächenmäßig gleich groß, wenn für frei wählbares a und b gilt, dass sie bis
integriert werden. Bei t0 handelt es sich um die obere Integrationsgrenze.