Wiki-Quellcode von Lösung Analysis

Zuletzt geändert von akukin am 2026/01/17 16:25

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akukin 1.1 1 == 1.1 ==
2 === Teilaufgabe a) ===
3 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
4 Der Graph hat zwei doppelte Nullstellen.
5 <br>
6 Der Graph hat zur y-Achse symmetrischen Nullstellen.
7 <br>
8 Der Graph verläuft vom 2. in den 1. Quadranten.
9 {{/detail}}
10
11
12 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 13 //Aufgabenstellung//
14 <br><p>
15 Nenne drei Argumente, warum es sich beim dargestellten Graphen um {{formula}}K_{g}{{/formula}} handeln kann.
16 </p>
17 //Lösung//
18 <br>
akukin 6.1 19 Mögliche Argumente:
20 <br>
21 * Der Graph hat zwei doppelte Nullstellen.
22 <br>
23 (Die Funktion {{formula}}g(x){{/formula}} besitzt die doppelten Nullstellen {{formula}}x=2{{/formula}} und {{formula}}x=-2{{/formula}})
24 <br>
25 * Der Graph hat zur y-Achse symmetrischen Nullstellen.
26 <br>
27 (Die Nullstellen {{formula}}x=2{{/formula}} und {{formula}}x=-2{{/formula}} sind symmetrisch zur y-Achse)
28 * Der Graph verläuft vom 2. in den 1. Quadranten.
29 <br>
akukin 7.1 30 (Die Funktion {{formula}}g(x)=(x+2)^2\cdot (x-2)^2=1\cdot x^4+ \dots{{/formula}} besitzt einen geraden Grad (Grad 4) und einen Leitkoeffizienten {{formula}}>0{{/formula}}. Somit gilt {{formula}}g(x)\rightarrow \infty{{/formula}} für {{formula}}x\rightarrow \pm \infty{{/formula}}.)
akukin 1.1 31 {{/detail}}
32
33 === Teilaufgabe b) ===
34 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
35 {{formula}}a=\frac{1}{8}{{/formula}}
36 {{/detail}}
37
38
39 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 40 //Aufgabenstellung//
41 <br><p>
42 Der Graph {{formula}} K_{f} {{/formula}} der Funktion {{formula}} f {{/formula}} mit {{formula}} f(x)=\frac{1}{8}x^{4}-x^{2}+2 {{/formula}} geht aus {{formula}} K_{g} {{/formula}} durch Streckung in {{formula}} y {{/formula}}-Richtung mit dem Faktor {{formula}} a {{/formula}} hervor.
43 <br>
44 Gib den Wert von {{formula}} a {{/formula}} an.
45 </p>
46 //Lösung//
47 <br>
akukin 6.1 48 Ausmultiplizieren liefert: {{formula}}g(x)=(x+2)^2\cdot (x-2)^2=x^4+ \dots{{/formula}}.
49 Somit ist der Faktor {{formula}}a=\frac{1}{8}{{/formula}}.
akukin 1.1 50 {{/detail}}
51
52 === Teilaufgabe c) ===
53 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
54 Die beiden doppelten Nullstellen bei {{formula}}\pm 2{{/formula}} liefern die beiden Tiefpunkte von {{formula}}K_f{{/formula}}. Der Hochpunkt liegt aus Symmetriegründen auf der y-Achse: {{formula}} H(0 \mid 2) {{/formula}}.
55 <br>
56 Daraus ergibt sich der Ansatz: {{formula}}y = b \cdot x^2 + 2 {{/formula}}
57 <br><p>
58 Einsetzen der Koordinaten eines Tiefpunkts: {{formula}}
59 0 = b \cdot 2^2 + 2 \ \Rightarrow \ b = -\frac{1}{2}
60 {{/formula}}
61 </p>
62 Damit: {{formula}}
63 y = -\frac{1}{2}x^2 + 2
64 {{/formula}}
65 {{/detail}}
66
akukin 8.1 67
akukin 7.1 68 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 69 //Aufgabenstellung//
70 <br><p>
71 Bestimme eine Gleichung der Parabel (zweiten Grades), die durch alle Extrempunkte von {{formula}} K_{f} {{/formula}} verläuft.
72 </p>
73 //Lösung//
74 <br>
akukin 7.1 75 Die beiden doppelten Nullstellen bei {{formula}}\pm 2{{/formula}} liefern die beiden Tiefpunkte von {{formula}}K_f{{/formula}}. Der Hochpunkt liegt aus Symmetriegründen auf der y-Achse: {{formula}} H(0 \mid 2) {{/formula}}.
76 <br>
77 Damit die Parabel durch die Punkte {{formula}}(-2|0), (2|0){{/formula}} und {{formula}}(0|2){{/formula}} verläuft, muss der Scheitel bei {{formula}}(0|2){{/formula}} liegen, das heißt die (nach unten geöffnete) Parabel ist um 2 in y-Richtung verschoben.
78 <br>
79 Daraus ergibt sich der Ansatz: {{formula}}y = b \cdot x^2 + 2 {{/formula}}
80 <br><p>
81 Einsetzen der Koordinaten eines Tiefpunkts: {{formula}}
82 0 = b \cdot 2^2 + 2 \ \Rightarrow \ b = -\frac{1}{2}
83 {{/formula}}
84 </p>
85 Damit: {{formula}}
86 y = -\frac{1}{2}x^2 + 2
87 {{/formula}}
88 {{/detail}}
akukin 1.1 89
90 == 1.2 ==
91 === Teilaufgabe a) ===
92 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
akukin 5.1 93 [[image:1.2a.png||width="300"]]
akukin 1.1 94 {{/detail}}
95
96
97 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 98 //Aufgabenstellung//
99 <br><p>
100 Gegeben ist die Funktion {{formula}} h {{/formula}} mit {{formula}} h(x)=4\cdot \cos(x)+4 {{/formula}}. Ihr Graph ist {{formula}} K_{h} {{/formula}}.
101 <br>
102 Zeichne {{formula}} K_{h} {{/formula}} im Bereich {{formula}} -\pi\le x\le\pi {{/formula}}.
103 </p>
104 //Lösung//
105 <br>
akukin 7.1 106 Ein Graph kann mittels Wertetabelle gezeichnet werden, die mit dem Taschenrechner erzeugt wird.
107 [[image:1.2a.png||width="300"]]
akukin 1.1 108 {{/detail}}
109
akukin 7.1 110
akukin 1.1 111 === Teilaufgabe b) ===
112 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
113 {{formula}}
114 t(x) = -4x + 2\pi + 4
115 {{/formula}}
116 <br>
117 {{formula}}
118 t'(x) = -4
119 {{/formula}}
120 <br>
121 {{formula}}
122 h'(x) = -4 \cdot \sin(x)
123 {{/formula}}
124 <br>
125 {{formula}}
126 h\left(\frac{\pi}{2}\right) = 4 = t\left(\frac{\pi}{2}\right); \quad h'\left(\frac{\pi}{2}\right) = -4 = t'\left(\frac{\pi}{2}\right)
127 {{/formula}}
128 <br>
129 Damit ist {{formula}}t{{/formula}} Tangente an {{formula}}K_h{{/formula}} im Punkt {{formula}}
130 P\left(\frac{\pi}{2} \mid 4\right)
131 {{/formula}}
132 {{/detail}}
133
134
135 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 136 //Aufgabenstellung//
137 <br><p>
138 Zeige, dass die Gerade {{formula}} t {{/formula}} mit der Gleichung {{formula}} y=-4x+2\pi+4 {{/formula}} eine Tangente an den Graphen {{formula}} K_{h} {{/formula}} im Punkt {{formula}} P(\frac{\pi}{2}|4) {{/formula}} ist.
139 </p>
140 //Lösung//
141 <br>
akukin 7.1 142 Die Tangente muss durch den Punkt {{formula}}P\left(\frac{\pi}{2}|4\right){{/formula}} gehen und an der Stelle {{formula}}x=\frac{\pi}{2}{{/formula}} die selbe Steigung wie der Graph {{formula}}K_h{{/formula}}.
143 <br>
144 Das heißt, es muss geprüft werden, ob {{formula}}
145 h\left(\frac{\pi}{2}\right) = t\left(\frac{\pi}{2}\right){{/formula}} und {{formula}}h'\left(\frac{\pi}{2}\right) = t'\left(\frac{\pi}{2}\right)
146 {{/formula}} gilt:
147 <p></p>
148 {{formula}}
149 t(x) = -4x + 2\pi + 4
150 {{/formula}}
151 <br>
152 {{formula}}
153 t'(x) = -4
154 {{/formula}}
155 <br>
156 {{formula}}
157 h'(x) = -4 \cdot \sin(x)
158 {{/formula}}
159 <br>
160 {{formula}}
161 h\left(\frac{\pi}{2}\right) = 4 = t\left(\frac{\pi}{2}\right); \quad h'\left(\frac{\pi}{2}\right) = -4 = t'\left(\frac{\pi}{2}\right)
162 {{/formula}}
163 <br>
164 Damit ist {{formula}}t{{/formula}} Tangente an {{formula}}K_h{{/formula}} im Punkt {{formula}}
165 P\left(\frac{\pi}{2} \mid 4\right)
166 {{/formula}}
akukin 1.1 167 {{/detail}}
168
169 === Teilaufgabe c) ===
170 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
171 Steigung der Tangente im Kurvenpunkt {{formula}}P(u \mid h(u)){{/formula}}: {{formula}}
172 h'(u) = -4 \cdot \sin(u)
173 {{/formula}}
174 <br>
175 Damit Tangente in {{formula}}P{{/formula}}: {{formula}}
176 y = -4\sin(u)\cdot x + b
177 {{/formula}}
178 <br>
179 Punktprobe mit {{formula}}P(u \mid h(u)){{/formula}} ergibt den y-Achsenabschnitt in Abhängigkeit von {{formula}}u{{/formula}}: {{formula}}
180 b(u) = 4u\cdot \sin(u) + 4\cos(u) + 4
181 {{/formula}}
182 <br>
183 {{formula}}
akukin 8.1 184 b'(u) = 4u \cdot \cos(u)= 0 \ \Leftrightarrow \ u_1 = 0; \ \ u_2 = \frac{\pi}{2}
akukin 1.1 185 {{/formula}}
186 <br><p>
187 {{formula}}
akukin 8.1 188 b(0) = 8;\ \ b(\pi) = 0;\quad b\left(\frac{\pi}{2}\right) = 2\pi + 4 \approx 10{,}3= b_{\max}
akukin 1.1 189 {{/formula}}
190 </p>
191 //Hinweis: Auch alternative Argumentationen sind möglich, sofern sie vollständig beschrieben und begründet sind.//
192 {{/detail}}
193
194
195 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 196 //Aufgabenstellung//
197 <br><p>
198 Die Tangente im Kurvenpunkt {{formula}} P(u|h(u)) {{/formula}}, {{formula}} 0\le u\le\pi {{/formula}} schneidet die {{formula}} y {{/formula}}-Achse im Punkt {{formula}} S {{/formula}}. Bestimme denjenigen Wert, den die y-Koordinate von {{formula}} S {{/formula}} maximal annehmen kann.
199 </p>
200 //Lösung//
201 <br>
akukin 8.1 202 Wir bestimmen die Tangente im Kurvenpunkt {{formula}}P(u \mid h(u)){{/formula}} mit dem Ansatz {{formula}}y=mx+b{{/formula}}.
203 <br>
204 Dazu bestimmen wir die Steigung {{formula}}m{{/formula}} im Punkt {{formula}}P(u \mid h(u)){{/formula}}:
205 <br>
206 {{formula}}
207 h'(u) = -4 \cdot \sin(u)
208 {{/formula}}
209 <br>
210 Damit lautet Tangente in {{formula}}P{{/formula}}:
211 <br>
212 {{formula}}
213 y = -4\sin(u)\cdot x + b
214 {{/formula}}
215 <br>
akukin 10.1 216 Punktprobe mit {{formula}}P(u \mid h(u)){{/formula}} ergibt:
akukin 8.1 217 <br>
218 {{formula}}
akukin 10.1 219 h(u) = -4\sin(u)\cdot u + b = 4\cdot \cos(u)+4
akukin 8.1 220 {{/formula}}
221 <br>
222 Nun stellen wir die Gleichung nach {{formula}}b{{/formula}} um und erhalten in Abhängigkeit von {{formula}}u{{/formula}}:
223 <br>
224 {{formula}}
225 b(u) = 4u\cdot \sin(u) + 4\cos(u) + 4
226 {{/formula}}
227 <p></p>
228 Um nun zu bestimmen, welchen Wert {{formula}}b(u){{/formula}} maximal annehmen kann, bestimmen wir mögliche Extremstellen der Funktion:
229 <br>
230 {{formula}}
231 b'(u) = 4u \cdot \cos(u)= 0 \ \Leftrightarrow \ u_1 = 0; \ \ u_2 = \frac{\pi}{2}
232 {{/formula}}
233 <br>
234 Einsetzen der möglichen Extremstellen liefert:
235 <br>
236 {{formula}}
237 b(0) = 8;\ \ b\left(\frac{\pi}{2}\right) = 2\pi + 4 \approx 10{,}3
238 {{/formula}}
239 <br>
240 Nun prüfen wir noch die obere Grenze {{formula}}\pi{{/formula}} für {{formula}}u{{/formula}}:
241 {{formula}}b(\pi) =4\cos(\pi)+4+4\sin(\pi) =-4+4+0=0{{/formula}}
242 <p></p>
243 Somit ist {{formula}}b_{\max}=2\pi + 4 \approx 10{,}3{{/formula}}
244 <p></p>
245 //Hinweis: Auch alternative Argumentationen sind möglich, sofern sie vollständig beschrieben und begründet sind.//
akukin 1.1 246 {{/detail}}
akukin 2.1 247
248 == 1.3 ==
249 === Teilaufgabe a) ===
250 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
251 Flächeninhalt zu Beginn: 81 cm^^2^^, d.h. {{formula}}A(0) = 81{{/formula}}
252 <br><p>
253 Mit jedem Schnitt wird der Flächeninhalt halbiert, d.h. der Ausgangswert wird für {{formula}}1, 2, 3 \dots n{{/formula}} Schnitte mit
akukin 8.1 254 {{formula}}\frac{1}{2}, \left(\frac{1}{2}\right)^2, \left(\frac{1}{2}\right)^3 \dots \left(\frac{1}{2}\right)^n{{/formula}} multipliziert.
akukin 2.1 255 </p>
256 Daher {{formula}}
257 A(n) = 81 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n
akukin 3.1 258 {{/formula}}.
akukin 2.1 259 {{/detail}}
260
261
akukin 9.1 262 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 263 //Aufgabenstellung//
264 <br><p>
265 Ein Notizzettel hat die Maße {{formula}} 9 \times 9\text{ cm} {{/formula}}. Von diesem Notizzettel wird nun immer wieder ein Stück abgeschnitten, sodass sich der Flächeninhalt {{formula}} A {{/formula}} des verbleibenden Stücks mit jedem Schnitt halbiert.
266 <p></p>
267 Zeige, dass sich der nach {{formula}} n {{/formula}} Schnitten verbleibende Flächeninhalt des Notizzettels in {{formula}} \text{cm}^{2} {{/formula}} durch die Funktion {{formula}} A {{/formula}} mit {{formula}} A(n)=81\cdot\left(\frac{1}{2}\right)^{n}; \ n\in\mathbb{N} {{/formula}} beschreiben lässt.
268 </p>
269 //Lösung//
270 <br>
akukin 9.1 271 Flächeninhalt zu Beginn: 81 cm^^2^^, d.h. {{formula}}A(0) = 81{{/formula}}
272 <br>
273 Nach dem ersten mal Halbieren gilt: {{formula}}A(1) = A(0) \cdot \frac{1}{2} = 81 \cdot \frac{1}{2}{{/formula}}
274 <br>
275 Nach dem zweiten mal Halbieren gilt: {{formula}}A(2) = A(1)\cdot \frac{1}{2}=\left(81 \cdot \frac{1}{2}\right) \cdot \frac{1}{2}=81\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^2=A(0)\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^2{{/formula}}
276 <br>
277 Nach dem dritten mal Halbieren gilt: {{formula}}A(3) = A(2)\cdot \frac{1}{2}=\left(81\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^2\right) \cdot \frac{1}{2}=81\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^3 =A(0)\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^3{{/formula}}
278 <br>
279 ...
280 <br>
281 Wir erkennen, dass der Ausgangswert {{formula}}A(0){{/formula}} somit für {{formula}}1, 2, 3 \dots n{{/formula}} Schnitte mit
282 {{formula}}\frac{1}{2}, \left(\frac{1}{2}\right)^2, \left(\frac{1}{2}\right)^3 \dots \left(\frac{1}{2}\right)^n{{/formula}} multipliziert wird.
283 <p></p>
284 Daher {{formula}}
285 A(n) = 81 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n
286 {{/formula}}.
287 {{/detail}}
288
akukin 2.1 289 === Teilaufgabe b) ===
290 {{detail summary="Erwartungshorizont"}}
291 {{formula}}
292 81 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n = 0{,}01 \
293 \Leftrightarrow \ \left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{1}{8100}
294 {{/formula}}
295 <br>
296 liefert
297 <br>
298 {{formula}}
akukin 3.1 299 n > \log_{\frac{1}{2}}\!\left(\frac{1}{8100}\right) \approx 12{,}98
akukin 2.1 300 {{/formula}}
301 <br>
302 Es muss 13-mal ein Stück des Notizzettels abgeschnitten werden.
303 {{/detail}}
304
305
306 {{detail summary="Erläuterung der Lösung"}}
akukin 12.1 307 //Aufgabenstellung//
308 <br><p>
309 Berechne, wie oft man ein Stück des Notizzettels abschneiden muss, bis das verbleibende Stück erstmals einen Flächeninhalt von weniger als einem hundertstel Quadratzentimeter hat.
310 </p>
311 //Lösung//
312 <br>
akukin 8.1 313 Es soll gelten: {{formula}}81 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n <\frac{1}{100}{{/formula}}
314 <br>
315 Umstellen nach {{formula}}n{{/formula}} liefert:
316 <br>
317 {{formula}}
318 \begin{align*}
319 81 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n &<\frac{1}{100} &&\mid :81 \\
320 \Leftrightarrow \left(\frac{1}{2}\right)^n &< \frac{1}{8100} &&\mid \log \\
321 \Leftrightarrow \log\!\left(\left(\frac{1}{2}\right)^n\right)&< \log\!\left(\frac{1}{8100}\right) \\
322 \Leftrightarrow n\cdot\log\!\left(\frac{1}{2}\right)&< \log\!\left(\frac{1}{8100}\right) &&\mid : \log\!\left(\frac{1}{2}\right) \\
323 \Leftrightarrow n &> \frac{\log\!\left(\frac{1}{8100}\right)}{\log\!\left(\frac{1}{2}\right) }=\log_{\frac{1}{2}}\!\left(\frac{1}{8100}\right) \approx 12,98
324 \end{align*}
325 {{/formula}}
326 <br>
327 Es muss 13-mal ein Stück des Notizzettels abgeschnitten werden.
328 <p></p>
329 //Beachte: Da {{formula}}\log\left(\frac{1}{2}\right)<0{{/formula}} ist, muss das Ungleichzeichen im letzten Schritt umgedreht werden. //
akukin 2.1 330 {{/detail}}
331
332