LK Mathematik Abitur NRW 2007: Unterschied zwischen den Versionen

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Version vom 15. Januar 2010, 16:56 Uhr

Inhaltsverzeichnis

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Angabe

Eilif Peterssen- Sevilosen.jpg

Mit Hilfe der folgenden Funktion kann man beispielsweise die Wasserstände eines Flusses vorherzusagen. Diese Beschreibung der Durchflussgeschwindigkeit sei durch die Funktionenschar fa mit f(t) = \frac{1}{4} t^3 - a t^2 + a^2 t, a > 0

Die Funktion gibt dabei die Durchflussgeschwindigkeit in 106\frac{m^3}{Monat} 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.

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.


Aus der Animation des Applets kann man erkennen,
  • dass jede Funktion f (t) zwei Nullstellen besitzt.
  • dass die erste Nullstelle immer im Ursprung ist. N1( 0 / 0 )
  • 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.


Errechne rechnerisch die beiden Nullstellen der Funktion. Setze dazu die Funktion gleich Null.


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: f (x) = x^n \Rightarrow f'(x) = n * xn-1


Bestimme nun die erste Ableitung der Funktion f.
f'(t) = \frac{3}{4} t^2 - 2 a t + a^2


Zur Bestimmung der Koordinaten der Extremwerte:
  • Man setzt f '(t) = 0,
  • erhält eine quadratische Gleichung,
  • löst diese mit der Mitternachtsformel,
  • und setzt die erhaltenen t - Werte in die Funktion ein und erhält somit die y - Koordinaten der Extremwerte E1 und E2.
Errechne nun die Koordinaten der Extremwerte.
[Lösung anzeigen]
Jeder Graph Ga besitzt zwei Extremwerte. In der Funktion f3 sind es die unten eingezeichneten Punkte. Man sieht deutlich, dass an der Stelle, an der die Ableitung (blaue Funktion) gleich Null wird, die Extremwerte liegen.



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
  • Man bestimmt die zweite Ableitung,
  • setzt die t - Werte der Extremwerte ein
  • und überprüft, ob f ' ' (t - Koordinate Extremwert)
  • < 0 \rightarrow Rechtskrümmung bzw Rechtskurve
\Rightarrow relatives Maximum
  • > 0 \rightarrow Linkskrümmung bzw Linkskurve
\Rightarrow relatives Minimum
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.
[Lösung anzeigen]
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  \lim_{h\to0} f '(t_0 - h)
  • und  \lim_{h\to0} f '( t_0 + h) ein.
Dadurch erhält man das Verhalten der Steigung von Gf "ein Stückchen links und ein Stückchen rechts" vom Extremwert.
Versuche auch, mit Hilfe der h - Methode, die Art der Extrempunkte zu bestimmen.


[Lösung anzeigen]


Lösung 3: Vorzeichentabelle
Man schreibt die Ableitung nicht als Summen, sondern als Produkte. Dies ist möglich, da man bereits die Nullstellen der Ableitungsfunktion errechnet hat. Die Ableitungsfunktion kann dann auch als
f '(t)= \left( x - t_1 \right) * \left( x - t_2 \right),
geschrieben werden. Hier sind die Werte t1 und t2 die t - Werte der Extrempunkte.
Nun stellt man eine Vorzeichentabelle für jeden Faktor auf und erhält durch multiplizieren der Vorzeichen das Monotonieverhalten und dadurch die Arten der Extremwerte.
Erstelle mit Hilfe des umgeformten Ableitungsproduktes eine Vorzeichentabelle und vergleiche sie mit dem rechts gezeigten Monotonieverhalten.
[Lösung anzeigen]

Monotonieverhalten des Graphen Gf

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.
[Lösung anzeigen]


Aufgabe: Theoretische Überlegungen zur Funktion

Warum liegt kein Punkt der Funktionsgraphen von fa im Bereich t \ge 0 unterhalb der t - Achse und inwiefern ist dies mit dem zugrunde liegenden Sachverhalt vereinbar.

Begründe dies.
[Lösung anzeigen]


Um das Verhalten eines Graphen, welcher gegen + \infty geht, zu bestimmen, wird statt f (t) \lim_{t\to\infty} 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 t \rightarrow \infty angegeben werden.
[Lösung anzeigen]
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.
[Lösung anzeigen]


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)
Die allgemeine Integrationsregel: \int_{a}^{b} x^n \,dx = \left[ \frac{x^{n+1}}{n+1} \right]_{a}^{b}
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.
[Lösung anzeigen]

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.

Entwicklung einer Idee:
Die Aufgabe kann man sich so vorzustellen,
  • dass für zwei verschiedene a,
  • bis zu einer bestimmten Grenze, hier die gesuchte obere Grenze
  • die Flächen unter dem Graphen der jeweiligen Funktion, gleich groß sind.


Schön ist im Applet zu sehen, dass die blaue Fläche immer genauso groß ist, wie die rote Fläche, obwohl die Flächen nicht deckungsgleich sind. Durch Veränderung der Schieberegler fällt auf, dass der Zeitpunkt t0 sowohl von a, als auch von b, abhängig sein muss.


Nun kann man durch Gleichsetzen zweier unterschiedlicher Funktionen Fa und Fb die obere Grenze errechnen.

c: Flächeninhalt blau, d: Flächeninhalt rot
[Lösung anzeigen]