herralten.de MATHEMATIK GEMEINSAM MEISTERN
Formeln und Werkzeuge werden geladen …
LernpfadeFunktionenGrundlagen · Klasse \(8\)

Lineare Funktionen.

Was verändert eine Gerade? Entdecke es selbst: bewegen, ablesen, begründen.

Beobachten Was fällt dir auf?Ausprobieren Ändere eine Größe.Erklären Begründe dein Ergebnis.

\(01\) Eine Gerade lesen

INTERAKTIVER EXPLORER
\(f(x)=\frac{1}{2}x-2\)
\(m=\frac{1}{2}\)
\(b=-2\)

So liest du ab: Die Achsen sind in ganzen Einheiten beschriftet; das feine Raster zeigt halbe Einheiten. Das Steigungsdreieck verwendet ganze Änderungen \(\Delta x\) und \(\Delta y\). Der Koordinatenausschnitt bleibt beim Verändern der Parameter fest.

\(f(x)=\frac{1}{2}x-2\)\(y=x\)Steigungsdreieck

Die Grundlage: Eine lineare Funktion hat hier die Form \(f(x)=mx+b\) mit \(m,b\in\mathbb R\). Ihr Graph ist eine Gerade; ohne Einschränkung gilt \(D=\mathbb R\). Bei \(b=0\) ist die Zuordnung direkt proportional, bei \(m=0\) konstant. In Sachaufgaben kann der Definitionsbereich eingeschränkt sein.

Den Rechenweg mitlesen\(m\) · Steigung\(b\) · Achsenabschnitt\(x\) · eingesetzter Eingang\(y\) · zugehöriger WertDie Farben zeigen, woher eingesetzte Zahlen stammen.

\(02\) / PARAMETER VERSTEHEN

Zwei Parameter. Zwei Wirkungen.

Die Steigung bestimmt die Änderung, der Achsenabschnitt die vertikale Lage.

\(m\)

Die Richtung verändern

Nur die Steigung bewegen

\(m=1\)

Fest eingestellt: \(b=0\) · Vergleich: \(y=x\)

AUSPROBIEREN

Schiebe \(m\) zuerst auf \(2\), dann auf \(\frac{1}{2}\) und schließlich auf \(-1\). Was ändert sich? Welcher Punkt bleibt an derselben Stelle?

Beobachtung erklären

\({\color{#4f46e5}m}=\frac{\Delta y}{\Delta x}\)

Das Vorzeichen legt die Richtung fest: \(m>0\) steigend, \(m<0\) fallend, \(m=0\) waagerecht.

Bei \({\color{#4f46e5}m=\frac{1}{2}}\): \({\color{#047857}2}\) nach rechts, \({\color{#c2410c}1}\) nach oben. Je größer \(\lvert m\rvert\), desto steiler die Gerade bei gleicher Achsenskalierung.

Hier bleibt \(P_y(0\mid0)\) fest, weil \(b\) unverändert ist.

\(b\)

Die Lage verändern

Nur den Achsenabschnitt bewegen

\(b=1\)

Fest eingestellt: \(m=1\) · Vergleich: \(y=x\)

AUSPROBIEREN

Schiebe \(b\) auf \(2\), \(0\) und \(-2\). Beobachte \(P_y\). Verändert sich dabei auch die Richtung der Geraden?

Beobachtung erklären

\({\color{#7c3aed}b}=f(0)\)

Setze \({\color{#047857}x=0}\): Der Term \(mx\) verschwindet. Die Gerade trifft die \(y\)-Achse in \(P_y(0\mid{\color{#7c3aed}b})\).

Änderst du nur \(b\), verschiebst du die Gerade parallel. Für \(b>0\) liegt \(P_y\) oberhalb, für \(b<0\) unterhalb des Ursprungs.

Der Wert \(b\) ist die \(y\)-Koordinate von \(P_y\). Die Nullstelle ist dagegen eine \(x\)-Koordinate.

\(0\)

Null genauer ansehen

Welcher Parameter wird null?

VERGLEICHEN

Was unterscheidet \(f(x)=2\) und \(g(x)=0\)? Stelle beide im Explorer ein und suche ihre Nullstellen.

Sonderfälle erklären

\(m=0\Rightarrow f(x)=b\)

Für \(f(x)=2\) hat jeder Eingang denselben Wert: keine Nullstelle und \(W=\{2\}\).

Für \(g(x)=0\) liegt der Graph auf der \(x\)-Achse. Jedes \(x\in\mathbb R\) ist eine Nullstelle.

Bei \(b=0\) und \(m\ne0\) verläuft die Gerade durch den Ursprung und hat genau die Nullstelle \(x_0=0\).

Dein Merksatz: Ergänze nach dem Erkunden: „Wenn ich nur \(m\) ändere, …“ und „Wenn ich nur \(b\) ändere, …“.

\(03\) / DARSTELLUNGEN VERKNÜPFEN

Eine Funktion, drei Perspektiven.

Gleichung, Wertetabelle und Graph beschreiben dieselbe Zuordnung.

A

Funktionsgleichung

\(f(x)={\color{#4f46e5}m}x+{\color{#7c3aed}b}\)

\(f(x)={\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}x{\color{#7c3aed}-2}\)

Ablesen: \(m=\frac{1}{2}\) und \(b=-2\).
Einsetzen: \(f({\color{#047857}2})={\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}\cdot{\color{#047857}2}{\color{#7c3aed}-2}={\color{#c2410c}-1}\).

GUT FÜR · WERTE BERECHNEN
B

Wertetabelle

\((x\mid f(x))\)

\((-2\mid-3),\ (0\mid-2)\)

Vergleichen: Bei Schritten von \({\color{#047857}\Delta x=2}\) ändern sich die Werte immer um \({\color{#c2410c}\Delta y=1}\).
Erkennen: Der Quotient \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\) bleibt konstant.

GUT FÜR · ÄNDERUNG ERKENNEN
C

Graph

\(P_y(0\mid b)\)

\(P_y(0\mid-2),\ N(4\mid0)\)

Starten: Markiere \(P_y(0\mid-2)\).
Weitergehen: \({\color{#047857}2}\) nach rechts, \({\color{#c2410c}1}\) nach oben. Verbinde die Punkte und verlängere die Gerade.

GUT FÜR · ZUSAMMENHÄNGE SEHEN

Die Wertetabelle zum Explorer.

Die Tabelle folgt den Reglern aus der ersten Station. Die Differenzen beziehen sich jeweils auf die vorherige Zeile.

\(x\)\(f(x)\)\(\Delta x\)\(\Delta y\)

Für verschiedene Eingänge gilt \(\frac{\Delta y}{\Delta x}=m\). In einer linearen Tabelle ist dieser Quotient für jedes Punktepaar gleich.

DER RECHENWEG

Aus zwei Punkten zur Gleichung.

Gegeben: \(A({\color{#047857}-2}\mid{\color{#c2410c}-3})\) und \(B({\color{#047857}4}\mid{\color{#c2410c}0})\).
Gesucht: zuerst \(m\), dann \(b\).

Voraussetzung: \(x_1\ne x_2\).
Allgemein: \(m=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\),
danach \(b=y_1-mx_1\).
  1. \({\color{#4f46e5}m}=\frac{{\color{#c2410c}0}-{\color{#c2410c}(-3)}}{{\color{#047857}4}-{\color{#047857}(-2)}}=\frac{3}{6}={\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}\)Ziehe die Koordinaten in derselben Reihenfolge voneinander ab.
  2. \({\color{#c2410c}-3}={\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}\cdot{\color{#047857}(-2)}+{\color{#7c3aed}b}\)Setze den Punkt \(A\) in \(y=mx+b\) ein.
  3. \(-3=-1+b\Rightarrow{\color{#7c3aed}b=-2}\)Löse nach dem Achsenabschnitt auf.
  4. \(f(x)=\frac{1}{2}x-2\)Probe mit \(B\): \(f({\color{#047857}4})=2-2={\color{#c2410c}0}\).

ZWEI-PUNKTE-WERKZEUG

Deine Punkte. Deine Gerade.

Gib zwei Punkte ein. Das Werkzeug zeigt die Gleichung und den Rechenweg. Prüfe auch, was bei gleichen \(x\)-Koordinaten passiert.

Die Punkte bestimmen eine eindeutige lineare Funktion.

\(f(x)=\frac{1}{2}x-2\)

\(m=\frac{3}{6}=\frac{1}{2},\quad b=-2\)

Die Grenze des Verfahrens: Verschiedene Punkte mit derselben \(x\)-Koordinate bestimmen eine senkrechte Gerade. Sie ist kein Graph einer Funktion \(y=f(x)\), weil einem Eingang verschiedene Ausgänge zugeordnet würden. Zweimal derselbe Punkt reicht nicht aus, um eine eindeutige Gerade festzulegen.

\(04\) / SCHNITTPUNKTE BESTIMMEN

Wo treffen sich Geraden?

Nullstellen sind die \(x\)-Koordinaten der Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse. Für zwei Funktionsgraphen setzt du ihre Werte gleich.

NULLSTELLE BERECHNEN

\(mx+b=0\Rightarrow x_0=-\frac{b}{m}\)

Diese Formel gilt nur für \(m\ne0\). Der zugehörige Punkt ist \(N(x_0\mid0)\).

SCHRITT FÜR SCHRITT

Gleichsetzen, lösen, einsetzen.

Betrachte \(f(x)=\frac{1}{2}x-2\) und \(g(x)=-x+1\). Im Schnittpunkt haben beide Funktionen denselben Eingang und denselben Wert.

Für \(m_1\ne m_2\) gilt:
\(x_S=\frac{b_2-b_1}{m_1-m_2}\),
\(y_S=m_1x_S+b_1\).
  1. \({\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}x{\color{#7c3aed}-2}={\color{#4f46e5}-1}x+{\color{#7c3aed}1}\)Setze die beiden Funktionsterme gleich.
  2. \(\frac{3}{2}x=3\Rightarrow{\color{#047857}x=2}\)Fasse die Terme zusammen und löse nach \(x\) auf.
  3. \(y=f({\color{#047857}2})={\color{#4f46e5}\frac{1}{2}}\cdot{\color{#047857}2}{\color{#7c3aed}-2}={\color{#c2410c}-1}\)Setze die gefundene Koordinate in eine der Funktionen ein.
  4. \(S({\color{#047857}2}\mid{\color{#c2410c}-1})\)Probe: \(g({\color{#047857}2})=-2+1={\color{#c2410c}-1}=f(2)\).

GERADEN-LABOR · SCHRITTWEISE ERKUNDEN

Eine Änderung. Eine Beobachtung.

Die Vergleichsgerade \(f\) bleibt zunächst fest. Ändere an \(g\) jeweils nur einen Parameter und prüfe deine Vermutung.

DEIN ERKUNDUNGSAUFTRAG

Ändere nur \(m_2\). Beobachte, was mit dem gemeinsamen Punkt passiert, wenn die Steigungen näher zusammenrücken.

Fest: \(m_1=\frac{1}{2}\), \(b_1=-2\), \(b_2=1\). Beweglich: \(m_2\).

\(f(x)=\frac{1}{2}x-2\)

\(m_1=\frac{1}{2}\)
\(b_1=-2\)

\(g(x)=-x+1\)

\(m_2=-1\)
\(b_2=1\)
Vergleich \(f\)Deine Gerade \(g\)

Erst beobachten, dann erklären: Welcher Parameter ist gerade beweglich? Was bleibt fest?

Nach dem Erkunden: die drei Fälle ordnen
A

Ein Schnittpunkt

\({\color{#4f46e5}m_1\ne m_2}\)

Verschiedene Steigungen führen bei \(D=\mathbb R\) zu genau einem gemeinsamen Punkt. Löse \(f(x)=g(x)\).

B

Parallel

\({\color{#4f46e5}m_1=m_2}\)

\({\color{#7c3aed}b_1\ne b_2}\)

Gleiche Richtung, verschiedene Lage: Beim Gleichsetzen entsteht ein Widerspruch. Es gibt keinen Schnittpunkt.

C

Identisch

\({\color{#4f46e5}m_1=m_2}\)

\({\color{#7c3aed}b_1=b_2}\)

Beide Terme beschreiben dieselbe Funktion. Jeder Geradenpunkt ist gemeinsam; \(f(x)=g(x)\) gilt für alle \(x\in\mathbb R\).

\(05\) / SELBST DENKEN

Vom Ablesen zum Begründen.

Wähle deine Stufe, rechne zuerst selbst und prüfe dann deine Antworten. Die Hinweise helfen schrittweise; der vollständige Lösungsweg bleibt aufklappbar.

Grundlagen: Parameter ablesen, Steigungsdreiecke nutzen und Sonderfälle verstehen. Aufbau: Darstellungen verbinden, Funktionsgleichungen bestimmen und Geraden vergleichen. Transfer: Parameter begründen und Modelle im Sachzusammenhang auswerten.

\(9\) Aufgaben aus allen Stufen.

Gib Zahlen mit Komma oder Punkt ein. Auch Brüche mit einem Schrägstrich sind möglich. Bei Näherungen verwende mindestens drei Nachkommastellen. Begründe deine Entscheidungen zusätzlich auf Papier oder im Gespräch.

\(0\) von \(9\) Aufgaben vollständig gelöst. Dein Fortschritt wird in diesem Browser gespeichert.

Dein Lernfortschritt wird in diesem Browser gespeichert. Eine Aufgabe zählt, sobald alle Teilantworten richtig sind.

\(01\)GRUNDLAGEN · PARAMETER UND FUNKTIONSWERTE

Was verrät die Funktionsgleichung?

GEGEBEN

Gegeben ist \(f(x)=-2x+5\) mit \(D=\mathbb R\).

DEIN AUFTRAG

Lies die Steigung und den \(y\)-Achsenabschnitt ab. Berechne \(f(3)\), prüfe den Punkt \(P(1\mid3)\) durch Einsetzen und entscheide, wie sich die Funktionswerte bei wachsendem \(x\) verändern.

Hinweis: mit der Grundform vergleichen

Vergleiche mit \(f(x)=mx+b\). Das Vorzeichen gehört jeweils zum Koeffizienten. Für einen Funktionswert ersetzt du jedes \(x\) durch den angegebenen Wert.

Weiterer Hinweis: einen Punkt prüfen

Für \(P(1\mid3)\) muss \(f(1)=3\) gelten. Die Richtung des Graphen hängt vom Vorzeichen der Steigung \(m\) ab.

Liegt der Punkt auf dem Graphen?
Verlauf bei wachsendem Argument
Lösungsweg anzeigen
ABLESEN → EINSETZEN → PRÜFEN
\(1\) · Parameter ablesen

Vergleiche \(f(x)=mx+b\) mit \(f(x)={\color{#4f46e5}-2}x+{\color{#7c3aed}5}\): \(m=-2\), \(b=5\) und \(P_y(0\mid5)\).

\(2\) · Den Eingang einsetzen

\(\begin{aligned}f({\color{#047857}3})&={\color{#4f46e5}-2}\cdot{\color{#047857}3}+{\color{#7c3aed}5}\\&=-6+5\\&={\color{#c2410c}-1}\end{aligned}\)

\(3\) · Punkt und Richtung prüfen

\(f({\color{#047857}1})=-2\cdot{\color{#047857}1}+5={\color{#c2410c}3}\). Der berechnete Wert stimmt mit der \(y\)-Koordinate von \(P(1\mid3)\) überein: Der Punkt liegt auf dem Graphen.

Wegen \(m<0\) ist \(f\) streng fallend. Wächst \(x\) um \(1\), sinkt \(f(x)\) um \(2\).

Darauf achten: Das Minuszeichen gehört zu \(m\). Der Wert \(b\) ist der Funktionswert an der Stelle \(x=0\).

\(02\)GRUNDLAGEN · STEIGUNGSDREIECK

Eine Steigung aus Veränderungen bestimmen.

GEGEBEN

Eine Gerade verläuft durch \(A(-1\mid5)\) und \(B(3\mid-1)\). Du gehst im Steigungsdreieck von \(A\) nach \(B\).

DEIN AUFTRAG

Berechne die gerichteten Veränderungen \(\Delta x\) und \(\Delta y\) und daraus die Steigung. Bestimme anschließend die \(y\)-Koordinate des Geradenpunkts \(Q\), dessen \(x\)-Koordinate \(1\) ist.

Hinweis: dieselbe Reihenfolge einhalten

Nutze \(\Delta x=x_B-x_A\), \(\Delta y=y_B-y_A\) und \(m=\frac{\Delta y}{\Delta x}\). Subtrahiere in Zähler und Nenner in derselben Reihenfolge.

Weiterer Hinweis: vom bekannten Punkt ausgehen

Von \(A\) bis \(Q\) wächst \(x\) von \(-1\) auf \(1\), also um \(2\). Die Veränderung des Funktionswerts ist daher \(m\cdot2\). Addiere sie zum Ausgangswert \(5\).

Lösungsweg anzeigen
LÖSUNGSWEG

\(\begin{aligned}\Delta x&=3-(-1)=4\\\Delta y&=-1-5=-6\end{aligned}\)

\(\begin{aligned}m&=\frac{-6}{4}\\&=-\frac{3}{2}\\&=-1{,}5\end{aligned}\)

Von \(A\) nach \(Q\) beträgt die waagerechte Veränderung \(\Delta x_Q=1-(-1)=2\). Somit verändert sich der Funktionswert um \(\Delta y_Q=-\frac{3}{2}\cdot2=-3\).

\(\begin{aligned}y_Q&=5-3=2\\Q&(1\mid2)\end{aligned}\)

Die Gerade ist streng fallend. Geht man in \(x\)-Richtung um \(2\) nach rechts, geht man in \(y\)-Richtung um \(3\) nach unten.

Darauf achten: Die Differenzen sind gerichtete Veränderungen. Ihr Vorzeichen darf nicht durch einen Betrag ersetzt werden; sonst geht die Fallrichtung verloren.

\(03\)GRUNDLAGEN · SONDERFÄLLE

Durch den Ursprung, waagerecht oder auf der Achse?

GEGEBEN

Vergleiche \(f(x)=3x\), \(g(x)=3\) und \(h(x)=0\), jeweils für \(D=\mathbb R\).

DEIN AUFTRAG

Bestimme die Steigung von \(g\) und den Achsenabschnitt von \(f\). Entscheide, ob \(f\) proportional ist, und untersuche die Nullstellen von \(g\) und \(h\). Begründe die Ergebnisse mit den jeweiligen Graphen.

Hinweis: fehlende Terme ergänzen

Schreibe \(f(x)=3x+0\), \(g(x)=0x+3\) und \(h(x)=0x+0\). Bei \(b=0\) verläuft der Graph durch den Ursprung; bei \(m=0\) verläuft er waagerecht.

Weiterer Hinweis: was bedeutet Nullstelle?

Eine Nullstelle ist eine Stelle \(x\), an der der Funktionswert \(0\) ist. Prüfe, ob \(g(x)=0\) beziehungsweise \(h(x)=0\) für kein, genau ein oder jedes \(x\in\mathbb R\) gilt.

Ist \(f\) proportional?
Nullstellen von \(g\)
Nullstellen von \(h\)
Lösungsweg anzeigen
LÖSUNGSWEG

Es gilt \(f(x)=3x+0\). Also sind \(m_f=3\) und \(b_f=0\). Die Funktion ist proportional; der Graph geht durch \(O(0\mid0)\). Die Gleichung \(3x=0\) liefert ihre einzige Nullstelle \(x=0\).

Es gilt \(g(x)=0x+3\), also \(m_g=0\). Der Graph ist eine waagerechte Gerade in der Höhe \(y=3\). Die Gleichung \(3=0\) ist falsch; deshalb hat \(g\) keine Nullstelle.

Bei \(h(x)=0x+0\) liegt der gesamte Graph auf der \(x\)-Achse. Die Gleichung \(0=0\) ist für jedes \(x\in\mathbb R\) erfüllt. Deshalb ist jedes Argument eine Nullstelle.

Darauf achten: Bei \(m=0\) darf man die Formel \(x_0=-\frac{b}{m}\) nicht verwenden. Die Nullstellenfrage wird dann direkt mit dem konstanten Funktionswert entschieden.

\(04\)AUFBAU · AUS ZWEI PUNKTEN

Die ganze Funktion rekonstruieren.

GEGEBEN

Eine lineare Funktion \(f\) verläuft durch \(A(-2\mid-5)\) und \(B(4\mid7)\).

DEIN AUFTRAG

Bestimme zuerst \(m\), anschließend \(b\), und gib damit die Funktionsgleichung an. Berechne \(f(3)\) und die Nullstelle. Prüfe deine Gleichung an beiden Ausgangspunkten.

Hinweis: zuerst die Steigung

Die Punkte haben verschiedene \(x\)-Koordinaten. Nutze \(m=\frac{7-(-5)}{4-(-2)}\). Setze anschließend einen Punkt in \(y=mx+b\) ein.

Weiterer Hinweis: den Achsenabschnitt isolieren

Mit \(A\) erhältst du \(-5=m\cdot(-2)+b\). Löse diese Gleichung nach \(b\) auf. Für die Nullstelle setzt du \(mx+b=0\).

Lösungsweg anzeigen
KOORDINATEN → STEIGUNG → GLEICHUNG
\(1\) · Änderungen aus den Punkten ablesen

\(A({\color{#047857}-2}\mid{\color{#c2410c}-5})\), \(B({\color{#047857}4}\mid{\color{#c2410c}7})\). In Zähler und Nenner gilt dieselbe Reihenfolge: \(B-A\).

\(\begin{aligned}{\color{#4f46e5}m}&=\frac{{\color{#c2410c}7}-{\color{#c2410c}(-5)}}{{\color{#047857}4}-{\color{#047857}(-2)}}\\&=\frac{12}{6}={\color{#4f46e5}2}\end{aligned}\)

\(2\) · Einen Punkt einsetzen und nach \(b\) lösen

Nutze \(A\): Seine Koordinaten liefern \(x=-2\) und \(y=-5\).

\(\begin{aligned}{\color{#c2410c}-5}&={\color{#4f46e5}2}\cdot{\color{#047857}(-2)}+b\\-5&=-4+b\\{\color{#7c3aed}b}&={\color{#7c3aed}-1}\end{aligned}\)

Damit: \(f(x)={\color{#4f46e5}2}x{\color{#7c3aed}-1}\) und \(P_y(0\mid-1)\).

\(3\) · Wert und Nullstelle bestimmen

\(f({\color{#047857}3})={\color{#4f46e5}2}\cdot{\color{#047857}3}{\color{#7c3aed}-1}={\color{#c2410c}5}\)

\(0=2x-1\Rightarrow2x=1\Rightarrow x_0=\frac{1}{2}\). Der Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse ist \(N(\frac{1}{2}\mid0)\).

\(4\) · Mit beiden Ausgangspunkten prüfen

\(f({\color{#047857}-2})=-4-1={\color{#c2410c}-5}\) und \(f({\color{#047857}4})=8-1={\color{#c2410c}7}\). Beide Punkte passen.

Darauf achten: Eine beliebige \(y\)-Koordinate ist noch kein Achsenabschnitt. Nur bei \(x=0\) kannst du \(b\) direkt ablesen.

\(05\)AUFBAU · DARSTELLUNGEN VERBINDEN

Term, Tabelle und Graph gehören zusammen.

GEGEBEN

Gegeben ist die Funktion \(g(x)=3(x-2)-4\).

DEIN AUFTRAG

Forme den Term in die Form \(g(x)=mx+b\) um. Ergänze die Tabellenwerte an den Stellen \(x=2\) und \(x=4\). Bestimme die Nullstelle und entscheide, ob der Punkt \(P(3\mid-1)\) auf dem Graphen liegt.

Hinweis: die Klammer vollständig ausmultiplizieren

Die Zahl vor der Klammer multipliziert beide Klammerterme: \(3(x-2)=3x-6\). Fasse anschließend die konstanten Summanden zusammen.

Weiterer Hinweis: den passenden Wert einsetzen

Für Tabellenwerte setzt du das angegebene \(x\) in den Term ein. Für die Nullstelle löst du \(3x-10=0\); für \(P\) prüfst du \(g(3)=-1\).

Liegt \(P\) auf dem Graphen?
Lösungsweg anzeigen
LÖSUNGSWEG

\(\begin{aligned}g(x)&=3(x-2)-4\\&=3x-6-4\\&=3x-10\end{aligned}\)

Damit sind \(m=3\) und \(b=-10\). Die Gleichungen beschreiben denselben Graphen.

\(\begin{aligned}g(2)&=3\cdot2-10=-4\\g(4)&=3\cdot4-10=2\end{aligned}\)

Die Punkte \(A(2\mid-4)\) und \(B(4\mid2)\) gehören damit zum Graphen. Auch am Steigungsdreieck erkennt man \(m=\frac{2-(-4)}{4-2}=\frac{6}{2}=3\).

Die Nullstellengleichung \(3x-10=0\) liefert \(3x=10\), also \(x_0=\frac{10}{3}\). Dieser Wert ist exakt; eine endliche Dezimaldarstellung wäre nur eine Näherung.

Es gilt \(g(3)=9-10=-1\). Daher liegt \(P(3\mid-1)\) auf dem Graphen.

Darauf achten: \(3(x-2)\) ist \(3x-6\), nicht \(3x-2\). Ein Termwechsel verändert den Graphen nur dann nicht, wenn wirklich jeder Klammerterm ausmultipliziert wird.

\(06\)AUFBAU · SCHNITTPUNKTE UND LAGE

Schneiden, parallel oder identisch?

GEGEBEN

Gegeben sind \(f(x)=2x-3\), \(g(x)=-\frac{1}{2}x+2\), \(h(x)=2x+1\) und \(k(x)=2(x-1)-1\).

DEIN AUFTRAG

Berechne den Schnittpunkt von \(f\) und \(g\). Vergleiche anschließend die Graphen von \(f\) und \(h\) sowie von \(f\) und \(k\). Unterscheide ausdrücklich zwischen verschiedenen parallelen und identischen Geraden.

Hinweis: Funktionswerte am Schnittpunkt gleichsetzen

Am Schnittpunkt gilt \(f(x)=g(x)\). Löse \(2x-3=-\frac{1}{2}x+2\), und setze das gefundene \(x\) in eine der Funktionen ein.

Weiterer Hinweis: Steigung und Achsenabschnitt vergleichen

Gleiche Steigungen allein bedeuten noch nicht, dass zwei Geraden identisch sind. Dafür müssen auch die Achsenabschnitte übereinstimmen. Multipliziere \(k(x)\) zuerst aus.

Lage von \(f\) und \(h\)
Lage von \(f\) und \(k\)
Lösungsweg anzeigen
GLEICHSETZEN → PUNKT PRÜFEN → PARAMETER VERGLEICHEN
\(1\) · Gemeinsamen Eingang bestimmen

\(\begin{aligned}{\color{#4f46e5}2}x{\color{#7c3aed}-3}&={\color{#4f46e5}-\frac{1}{2}}x+{\color{#7c3aed}2}\\\frac{5}{2}x&=5\\x&={\color{#047857}2}\end{aligned}\)

\(2\) · Den Eingang in beide Funktionen einsetzen

\(\begin{aligned}f({\color{#047857}2})&=2\cdot{\color{#047857}2}-3={\color{#c2410c}1}\\g({\color{#047857}2})&=-\frac{1}{2}\cdot{\color{#047857}2}+2={\color{#c2410c}1}\end{aligned}\)

Gleicher Eingang, gleicher Wert: \(S({\color{#047857}2}\mid{\color{#c2410c}1})\).

\(3\) · Gleiche Steigung genauer prüfen

\(f\) und \(h\): \({\color{#4f46e5}m_f=m_h=2}\), aber \({\color{#7c3aed}b_f=-3}\) und \({\color{#7c3aed}b_h=1}\). Die Geraden sind verschieden und parallel. Beim Gleichsetzen entsteht der Widerspruch \(-3=1\).

\(k(x)=2x-2-1=2x-3=f(x)\). Die Graphen von \(f\) und \(k\) sind identisch: Jeder Geradenpunkt ist gemeinsam.

Darauf achten: Gleiches \(m\) reicht für Identität nicht aus. Prüfe zusätzlich \(b\); multipliziere dafür andere Termdarstellungen zuerst aus.

\(07\)TRANSFER · PARAMETER BEGRÜNDEN

Ein Parameter verändert die Steigung.

GEGEBEN

Untersuche die Geradenschar \(f_k(x)=(k-2)x+4\) mit \(k\in\mathbb R\). Als Vergleich dient \(g(x)=-x+1\).

DEIN AUFTRAG

Bestimme jeweils den Parameter, für den der Graph von \(f_k\) verschieden und parallel zu \(g\), waagerecht, durch \(P(2\mid10)\) oder mit einer Nullstelle bei \(x=-2\) verläuft. Entscheide außerdem, ob ein Graph der Schar mit \(g\) identisch sein kann.

Hinweis: jede Bedingung einzeln übersetzen

Es gilt \(m_k=k-2\) und \(b_k=4\). Parallelität liefert eine Bedingung an die Steigung; eine waagerechte Gerade hat \(m_k=0\). Für einen vorgegebenen Punkt gilt \(f_k(x_P)=y_P\).

Weiterer Hinweis: einen Funktionswert festlegen

Für \(P\) setzt du \((k-2)\cdot2+4=10\). Für die gewünschte Nullstelle setzt du \((k-2)\cdot(-2)+4=0\). Bei Identität müssten außerdem die Achsenabschnitte beider Funktionen übereinstimmen.

Kann \(f_k\) mit \(g\) identisch sein?
Lösungsweg anzeigen
LÖSUNGSWEG

Parallelität erfordert \(k-2=-1\), also \(k=1\). Dann ist \(f_1(x)=-x+4\). Wegen der verschiedenen Achsenabschnitte \(4\) und \(1\) sind \(f_1\) und \(g\) tatsächlich verschiedene parallele Geraden.

Eine waagerechte Gerade ergibt sich aus \(k-2=0\), also \(k=2\). Dann ist \(f_2(x)=4\); diese konstante Funktion hat keine Nullstelle.

\(\begin{aligned}f_k(2)&=10\\2(k-2)+4&=10\\2k&=10\\k&=5\end{aligned}\)

Zur Probe gilt \(f_5(2)=3\cdot2+4=10\).

\(\begin{aligned}f_k(-2)&=0\\-2(k-2)+4&=0\\-2k+8&=0\\k&=4\end{aligned}\)

Es folgt \(f_4(x)=2x+4\), mit \(f_4(-2)=0\). Eine Identität mit \(g\) ist für keinen Parameter möglich, da der feste Achsenabschnitt \(4\) nie mit \(1\) übereinstimmt.

Darauf achten: Der Parameter ist nicht direkt die Steigung. Die Steigung lautet \(k-2\). Gleiche Steigungen führen hier zu Parallelität, nicht zu Identität.

\(08\)TRANSFER · MODELLIERUNG UND BEREICH

Ein Tank wird gleichmäßig geleert.

GEGEBEN

Ein Tank enthält anfangs \(120\,\mathrm{L}\) Wasser. Pro Minute fließen gleichmäßig \(7{,}5\,\mathrm{L}\) ab. Die Zeit \(t\) wird in Minuten und die verbleibende Wassermenge \(V(t)\) in Litern gemessen.

DEIN AUFTRAG

Stelle für die Zeit bis zur vollständigen Leerung das lineare Modell \(V(t)=mt+b\) auf. Berechne \(V(4)\), den Zeitpunkt der Leerung und den Zeitpunkt, an dem noch \(30\,\mathrm{L}\) vorhanden sind. Wähle den zum Vorgang passenden Definitionsbereich und beurteile eine Vorhersage für \(t=18\).

Hinweis: Startwert und Veränderung unterscheiden

Der Anfangsbestand ist \(b=V(0)\). Weil Wasser abfließt, ist die Steigung negativ; ihre Einheit lautet \(\frac{\mathrm{L}}{\mathrm{min}}\).

Weiterer Hinweis: die Grenzen des Modells prüfen

Die Leerung erfüllt \(V(t)=0\); der gesuchte Zwischenstand erfüllt \(V(t)=30\). Nach der Leerung kann die Wassermenge nicht negativ werden. Das lineare Modell beschreibt deshalb nur den Zeitraum bis zur Leerung.

Definitionsbereich des beschriebenen linearen Modells
Ist die lineare Vorhersage für \(t=18\) physikalisch gültig?
Lösungsweg anzeigen
STARTWERT → ÄNDERUNG → MODELLGRENZEN
\(1\) · Die Angaben in Parameter übersetzen

Startbestand: \({\color{#7c3aed}b=120}\). Abfluss: \({\color{#4f46e5}m=-7{,}5}\) in \(\frac{\mathrm L}{\mathrm{min}}\). Mit den angegebenen Einheiten gilt:

\(V(t)={\color{#7c3aed}120}{\color{#4f46e5}-7{,}5}\,t\)

\(2\) · Einen Zeitpunkt einsetzen

\(\begin{aligned}V({\color{#047857}4})&={\color{#7c3aed}120}{\color{#4f46e5}-7{,}5}\cdot{\color{#047857}4}\\&=120-30={\color{#c2410c}90}\end{aligned}\)

Nach \(4\,\mathrm{min}\) sind noch \(90\,\mathrm L\) im Tank.

\(3\) · Einen Füllstand vorgeben

\(\begin{aligned}120-7{,}5t&={\color{#c2410c}0}\\7{,}5t&=120\\t&=\frac{120}{7{,}5}={\color{#047857}16}\end{aligned}\)

Leer nach \(16\,\mathrm{min}\). Für \(30\,\mathrm L\) rechnest du genauso:

\(120-7{,}5t={\color{#c2410c}30}\Rightarrow7{,}5t=90\Rightarrow t={\color{#047857}12}\)

Im Zeitraum \(12<t\le16\) sind weniger als \(30\,\mathrm L\) vorhanden.

\(4\) · Den sinnvollen Bereich festlegen

\(D=[0;16]\), \(W=[0;120]\). Zeiten zwischen vollen Minuten sind ebenfalls zulässig.

Die Fortsetzung liefert \(V({\color{#047857}18})=120-135={\color{#c2410c}-15}\). Eine negative Wassermenge ist unmöglich: Die lineare Vorhersage ist für \(t=18\) ungültig.

Für die Zeit nach der Leerung braucht man ein erweitertes Modell mit \(V(t)=0\) für \(t\ge16\).

Darauf achten: Ein berechenbarer Wert ist noch keine sinnvolle Sachvorhersage. Definitionsbereich und Einheiten gehören zum Modell.

\(09\)TRANSFER · VERGLEICH UND GANZZAHLIGKEIT

Welcher Tarif lohnt sich bei welchem Bedarf?

GEGEBEN

Für einen Besuchszeitraum bietet Tarif \(A\) eine Grundgebühr von \(8\,\text{€}\) und zusätzlich \(1{,}20\,\text{€}\) je Besuch. Tarif \(B\) hat keine Grundgebühr und kostet \(2\,\text{€}\) je Besuch. Die Besuchszahl ist \(n\).

DEIN AUFTRAG

Vergleiche \(A(n)=8+\frac{6}{5}n\) und \(B(n)=2n\). Bestimme die Besuchszahl und den Preis, bei denen beide Tarife gleich teuer sind. Ab welcher ganzen Besuchszahl ist \(A\) erstmals günstiger? Berechne außerdem die maximalen Besuchszahlen bei einem Budget von \(32\,\text{€}\) und wähle einen sinnvollen Definitionsbereich.

Hinweis: Kosten gleichsetzen

Am Preisgleichstand gilt \(8+\frac{6}{5}n=2n\). Für die Frage „günstiger“ brauchst du die strenge Ungleichung \(A(n)<B(n)\).

Weiterer Hinweis: ganze Besuche berücksichtigen

Besuche werden ganzzahlig gezählt, und \(n=0\) ist möglich. Prüfe beim Budget für jeden Tarif die Ungleichung Kosten \(\le32\). Die gesuchte maximale ganze Besuchszahl darf das Budget nicht überschreiten.

Definitionsbereich der Besuchszahl
Lösungsweg anzeigen
KOSTENMODELLE → VERGLEICH → GANZE BESUCHE
\(1\) · Die Preise zuordnen

\(A(n)={\color{#7c3aed}8}+{\color{#4f46e5}\frac{6}{5}}n,\quad B(n)={\color{#4f46e5}2}n\)

\(b\) beschreibt die Kosten ohne Besuch, \(m\) den Preis je zusätzlichem Besuch.

\(2\) · Den Preisgleichstand bestimmen

\(\begin{aligned}8+\frac{6}{5}n&=2n\\8&=\frac{4}{5}n\\n&={\color{#047857}10}\end{aligned}\)

\(A({\color{#047857}10})=8+\frac{6}{5}\cdot{\color{#047857}10}={\color{#c2410c}20}\) und \(B({\color{#047857}10})=2\cdot{\color{#047857}10}={\color{#c2410c}20}\). Bei \(10\) Besuchen kosten beide Tarife \(20\,\text{€}\).

\(3\) · „Günstiger“ als Ungleichung lesen

\(\begin{aligned}8+\frac{6}{5}n&\lt2n\\8&\lt\frac{4}{5}n\\n&\gt10\end{aligned}\)

Die erste zulässige ganze Besuchszahl ist \(11\): Ab dann ist \(A\) günstiger. Unter \(10\) Besuchen ist \(B\) günstiger; bei \(10\) besteht Gleichstand.

\(4\) · Das Budget für jeden Tarif prüfen

\(\begin{aligned}A(n)&\le{\color{#c2410c}32}\\8+\frac{6}{5}n&\le32\\\frac{6}{5}n&\le24\\n&\le20\end{aligned}\)

Tarif \(A\): höchstens \(20\) Besuche, dann genau \(32\,\text{€}\). Tarif \(B\): \(2n\le32\Rightarrow n\le16\), also höchstens \(16\) Besuche.

\(5\) · Modell und Budget unterscheiden

Für das Modell gilt \(D=\mathbb N_0=\{0;1;2;\ldots\}\). Das Budget erlaubt davon \(0\le n\le20\) bei \(A\) und \(0\le n\le16\) bei \(B\).

Darauf achten: Gleich teuer bedeutet noch nicht günstiger. Bei zählbaren Besuchen darf eine Grenze nicht zu einer unzulässigen Besuchszahl aufgerundet werden.

Mathematischer Hintergrund
∑
π
√x
∫
x²
∞
Δ
f(x)