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L INEARE FUNKTIONEN
Inhaltsverzeichnis
Kapitel Inhalt Seite
1 Zuordnungsvorschrift, Funktionsgraph 1
2 Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen 2
3 Schnittpunkt von Geraden 3
4 Geradenscharen, Interpretation der Parameter 4
3.1 Das Geradenbüschel 4
3.2 Die Parallelenschar 6
5 Neigungswinkel von Geraden 7
5.1 Neigungswinkel der Ursprungsgeraden 7
5.2 Neigungswinkel einer beliebigen Geraden 8
6 Schnittwinkel von Geraden 9
6.1 Senkrechte Geraden 9
6.2 Beliebige nicht senkrechte Geraden 10
7 Bestimmung des Funktionsterms einer Geraden 11
7.1 Punkt-Steigungsform 11
7.2 Zwei-Punkteform 11
7.3 Analytische Darstellungsformen 12
8 Lage von Geraden zueinander 13
9 Lineare Ungleichungen 14
11 Physikalische Anwendungen 17
Lineare Funktionen
1 Zuordnungsvorschrift, Funktionsgraph Definition
Eine Funktion f mit der Zuordnungsvorschrift f : IR IR , x y a x b heißt lineare Funktion.
Im Folgenden wird die funktionale Schreibweise f(x) a x b mit x , a , b IR verwendet.
Bezeichnungen
y a x b heißt Funktionsgleichung, f(x) a x b heißt Funktionsterm.
G
fist der Graph von f in einem (kartesischen) Koordinatensystem.
Beispiel
Gegeben sind die Funktionen f
1und f
2mit den Funktionstermen
1
f (x) 1 x 1
2 und
23
f (x) x 3
4 , wobei x IR . Zeichnen Sie die zugehörigen Graphen
f1
G und
f2
G . Lösung
Für das Zeichnen einer Geraden genügen zwei beliebig gewählte Stellen x
1und x
2,
zu denen jeweils die y-Koordinaten für die Punkte A und B bzw. C und D berechnet werden.
1
1
f (1) 3 A(1/1,5) 2
f (4) 3 B(4 / 3)
2
2
f (1) 5 C(1/ 2,25) 4
f (4) 0 D(4 / 0)
2 Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen
Gegeben ist die Funktion f mit f(x) a x b mit x, a, b IR a 0
Schnitt mit der x-Achse über die Bedingung: y 0 f(x) 0 a x b 0 Lösen der linearen Gleichung liefert die Nullstelle
0b
x a 0
a . Der Schnittpunkt mit der x-Achse hat die Koordinaten
xb
S / 0
a
. Schnitt mit der y-Achse über die Bedingung: x 0 f(0) a 0 b b Der Schnittpunkt mit der y-Achse hat die Koordinaten S 0 / b .
y
Bemerkung
a 0 b 0 f(x) b besitzt keine gemeinsamen Punkte mit der x-Achse.
a 0 b 0 f(x) 0 ist die x-Achse.
Beispiel: Gegeben sind die Funktionsterme f
3, f
4und f
5.
Gesucht sind jeweils die Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen.
3
1 1
f (x) x
4 2
3
0 x
1 1
f (x) 0 x 0
4 2
x 2 S 2 / 0
3 y
f (0) 1 S 0 / 0,5
2
3 2 1 0 1 2 32
1 1 2 3
Graph von f3
x-Achse
y-Achse
4
3 3
f (x) x
4 2
4
0 x
3 3
f (x) 0 x 0
4 2
x 2 S 2 / 0
4 y
f (0) 3 S 0 /1,5
3 2 1 0 1 2 31 2 3
Graph von f4
y-Achse
f (x) 2
5
f (x) 0
5 2 0 nicht möglich, also exis- tieren keine Nullstellen.
5 y
f (0) 2 S 0 / 2
3 2 1 0 1 2 3
2
1 1 2 3
Graph von f5
x-Achse
y-Achse
3 Schnittpunkt von Geraden
Gegeben: g (x) m x t
1
1
1; g (x) m x t
2
2
2; mit x IR und m
1 m
2. Gesucht: Schnittpunkt S(x
S/y
S)
Allgemeine Lösung
Der Punkt S liegt auf beiden Geraden.
Das Einsetzen von Punkt S in die Funk- tionsterme liefert ein Gleichungssystem:
1 S 1 S 1
2 S 2 S 2
S g : y m x t (1) S g : y m x t (2) GLS
Das Gleichungssystem besteht aus zwei Gleichungen für zwei Unbekannte. Da auf der linken Seite jeweils der gleiche Term steht, löst man es über das Gleichset- zungsverfahren.
(1) = (2): m x
1
S t
1m x
2
S t
2Auflösen nach x
S: (m
1 m ) x
2
S t
2 t :(m
1 1 m ) 0
2 Da nach Vors. m
1 m
2gilt:
S 2 11 2
t t
x m m
Einsetzen von x
Sin einen der beiden Funktionsterme, z. B. g
1, also:
2 1 1 2 2 1
S 1 S 1 1
1 2 1 2
t t m t m t
y g (x ) m t
m m m m
.
Beispiel
g (x) 2 x 3
1 ;
21 g (x) x 3
2 ;
1 2 1 2
S
g g : g (x) g (x) 2 x 3 1 x 3 2 3 x 6 2
x 4
Funktionswert: y
S g (x ) g (4) 2 4 3 5
1 S
1 Schnittpunkt: S(4/5)
4 Geradenscharen, Interpretation der Parameter Allgemein: f(x) m x t x, m, t IR
4.1 Das Geradenbüschel
Gegeben sind die Geraden f (x) m x
m mit x IR und m { 2 ; 1 ; 0,5 ; 0,25 ; 1 ; 2 ; 3} Gesucht ist der Einfluss des Parameters m.
Welcher Graph gehört zu wel- chem Parameter?
Man stellt fest:
(1) Die Funktionenschar f (x)
mliefert ein Geradenbüschel durch den Punkt P(0/0).
(2) Für m>0 gilt:
Je größer m, desto „steiler“ ist die Gerade.
2 1 0 1 2 3 4
2
1 1 2 3 4
Geradenbüschel
x-Achse
y-Achse
Mathematische Formulierung Der Parameter m charakterisiert den Zuwachs ∆y pro fest ge- wähltem ∆x .
Definition der Steigung
2 1
2 1
y y ∆y
m x x ∆x
Bezeichnungen (1) Der Quotient y
x
heißt Differenzenquotient.
(2) Für m 0 steigt die Gerade.
(3) Für m 0 fällt die Gerade.
(4) m 0 : Die Gerade heißt konstante Funktion.
Sie ist parallel zur x-Achse oder die x-Achse selbst.
Spezialfälle
f(x) x : Winkelhalbierende des I. und III. Quadranten.
f(x) x : Winkelhalbierende des II. und IV. Quadranten.
y t t 0 : Parallele zur x-Achse, sie ist weder steigend noch fallend.
t 0 y 0 : x-Achse ist weder steigend noch fallend.
Warnung
0 0
x x x 0 : Die Parallele zur y-Achse ist keine Funktion.
x 0 Die y-Achse ist keine Funktion.
4.2 Die Parallelenschar
Gegeben sind die Geraden f (x) x t
t mit x IR und t { 2 ; 1 ; 0 ; 1 ; 2 } . Gesucht ist der Einfluss des Parameters t.
Welcher Graph gehört zu welchem Pa- rameter?
Man stellt fest:
(1) Die Funktionenschar f (x) liefert
teine Parallenschar.
(2) Man nennt t den
Achsenabschnitt auf der y–Achse.
3 2 1 0 1 2 3
3
2
1 1 2 3 4 5
x-Achse
y-Achse
5 Neigungswinkel von Geraden
5.1 Neigungswinkel der Ursprungsgeraden Definition
Der Steigungswinkel einer Geraden g ist derjenige im mathematisch positiven Sinn gemes- sene Winkel
1bzw.
2, den die Gerade mit der positiven x-Achse einschließt.
Betrachtet man im (rechtwinkligen) Steigungsdreieck das Verhältnis y x
, so entspricht das dem Tangens des Neigungswinkels.
1 1
m 0:tan(α ) m α arctan(m) m 0:tan(β) m β arctan(m) ;
Da der Winkel 0 nicht im mathematisch positiven Sinn ausgegeben wird, wird der Nei- gungswinkel umgerechnet: α
2 180 β
Neigungswinkel: arc tan(m) falls m 0
tan(α) m α
180 arc tan(m) falls m 0
Beispiel
g (x)
1 3 x ; positive Steigung: m 3
Neigungswinkel: tan α
1 3 α
1 arctan 3 60 ;
g (x)
2 3 x ; negative Steigung: m 3
Neigungswinkel: tan β 3 β arctan 3 60 ;
α
2 180 60 120
5.2 Neigungswinkel einer beliebigen Geraden
Berechnung des Neigungswinkels wie bei den Ursprungsgeraden.
Beispiel
g (x) x 1,5
1 ; positive Steigung: m 1
Neigungswinkel: tan α
1 1 α
1 arctan 1 45 ; g (x)
2 x 1,5 ; negative Steigung: m 1
Neigungswinkel: tan β 1 β arctan 1 45 ;
α
2 180 45 135
6 Schnittwinkel von Geraden 6.1 Senkrechte Geraden Gegeben
Gerade g mit g(x) m x t
g
gund die dazu senkrechte Gerade n (genannt auch Normale) mit n(x) m x t
n
n. Gesucht
Zusammenhang zwischen den Steigungen m
gund m
n.
Allgemeine Lösung
Für die Steigungsdreiecke gilt:
Gerade g:
1∆y
g∆y
g gtan(α ) m
∆x 1
Gerade n:
2n n n
∆x 1 1
tan(α )
∆y ∆y m
Die Winkel α
1und α
2sind identisch (Winkel, deren Schenkel paarweise senkrecht aufein- ander stehen, sind gleich).
Also gilt: α
1 α
2 tan(α
1) tan(α
2)
Daraus folgt:
g g nn
m 1 m m 1
m
Es gilt: m m
g
n 1 g n
Beispiel
3 5
g(x) x
4 4
; n(x) 4 x 10
3 3
g
m 3
4 ;
n4
m 3 ;
g n4 3
m m 1
3 4
6.2 Beliebige nicht senkrechte Geraden
Gegeben: g (x) m x t
1
1
1; g (x) m x t
2
2
2; m
1 m
2Gesucht: Schnittwinkel der beiden Geraden
Beispiel:
1
g (x) 2 x 7
2 m
1 2
2
g (x) 3 x
2
23
m 2 Einzelne Neigungswinkel:
α
1 180 arc tan( 2 ) 116,56 α
2 arc tan(1,5) 56,31
Schnittwinkel:
1 2
φ α α 116,56 56,31 60,25
Berechnung nach der Formel:
2 1,5 3,5
φ arctan arctan arctan 1,75 60,25
1 ( 2) 1,5 2
Allgemeine Lösung:
Der Schnittwinkel φ zweier Geraden ist immer der kleinere der beiden Winkel, welchen die beiden Geraden miteinander bilden.
Der Schnittwinkel φ ergibt sich aus den Neigungswinkeln α
1und α
2: φ α
1 α
2
1 2
tan(φ) tan α α
Mit dem Additionstheorem für den Tangens gilt:
1 2
1 2
tan(α ) tan(α ) tan(φ)
1 tan(α ) tan(α )
mit 0 φ 90 .
Aus der Steigung lässt sich der Tangens des Winkels berechnen:
1 2
1 2
1 2
m m
tan(φ) 1 m m 0
1 m m
Merkhilfe Seite 2
Bemerkung:
7 Bestimmung des Funktionsterms einer Geraden 7.1 Punkt-Steigungsform
Gegeben: Punkt P(x
0/ y
0) und die Steigung m.
Gesucht: Funktionsterm f(x) der zugehörigen Geraden.
Beispiel 1
Geg.: P(1/1,25 ) ; 3 m 4 ; Ansatz: f(x) m x t
Also: 3 f(x) x t
4
P G
f: 3 f(1) 1,25 1 t 1,25
4
Auflösen nach t: 5 3 1
t 4 4 2
Eingesetzt: 3 1 f(x) x
4 2
1 0 1 2 3
1 1 2 3
Punkt-Steigungsform
x-Achse
y-Achse
Allgemeine Lösung
Ansatz für eine lineare Funktion: f(x) m x t
Bestimmung von t: P G : f(x ) y
f 0
0 m x
0 t y
0 t m x
0 y
0Einsetzen in f(x): f(x) m x m x
0 y
0Umformung: f(x) m (x x ) y
0
0Punkt-Steigungsform
7.2 Zwei-Punkteform
Gegeben: Zwei Punkte P(x
0/y
0) und A(x
1/y
1)
Gesucht: Funktionsterm der zugehörigen Geraden g.
Beispiel 2
Geg.: A( 0,5 /1,25 ) ; B( 2,5 / 2,25 ) Ansatz: f(x) m x t
Steigung: m 2,25 1,25 0,5 2,5 0,5
f(x) 0,5 x t
f
A G 0,5 0,5 t 1,25 t 1
f(x) 0,5 x 1
1 0 1 2 3
1 1 2 3
Zwei-Punkteform
x-Achse
y-Achse
Allgemeine Lösung
Ansatz für lineare Funktion: g(x) m x t
Einsetzen der Punkte P und A in den Funktionsterm liefert ein Gleichungssystem (GLS):
0 0
1 1
P g : (1) y m x t GLS A g : (2) y m x t
Das Gleichungssystem besteht aus zwei Gleichungen für zwei Unbekannte. Man löst es z. B.
über das Einsetzungsverfahren oder Additionsverfahren.
Hier das Additionsverfahren (2) – (1): y
1 y
0 m (x
1 x )
0Wegen x
1 x
0auflösen nach m:
1 01 0
y y
m x x
m wird in (1) oder (2) eingesetzt:
0 1 0 01 0
y y
y x t
x x
Auflösen nach t:
0 1 0 01 0
y y
t y x
x x
m und t werden in den Funktionsterm eingesetzt:
1 0 0 1 0 01 0 1 0
y y y y
g(x) x y x
x x x x
Umformung:
1 0 0 0 1 01 0
y y
g(x) (x x ) y x x
x x
Zwei-Punkteform
7.3 Analytische Darstellungsformen
Die Zuordnungsvorschrift ist in Form einer Gleichung gegeben.
Explizite Darstellung:
Die Funktion ist nach der Variablen y aufgelöst: y f(x) f(x) m x t Implizite Darstellung:
Die Funktion ist nicht nach der Variablen y aufgelöst: F(x, y) 0 F(x, y) a x b y c Parameterdarstellung:
Die Funktion ist in Abhängigkeit vom Parameter t gegeben: x x(t) y y(t) Beispiel
Explizite Form: f(x) 2 x 4
Implizite Form: F(x, y) 0 6 x 3 y 12 0
Auflösen nach y: 3 y 6 x 12 y 2 x 4
8 Lage von Geraden zueinander
Gegeben sind die Geradenscharen
a a1
f (x) a x 1 g (x) x a a IR \ {0}
a .
Gesucht: Anzahl der Schnittpunkte in Abhängigkeit des Parameters a.
Lösung: Berechnung des Schnittpunktes durch Gleichsetzen der Funktionswerte:
a a
f (x) g (x) : 1
a x 1 x a
a Multiplizieren mit a: a x a x a
2
2Sortieren nach x: ( ) (a
2 1) x a
2 a
Auflösen nach x:
Sa
22a a (a 1) x a 1 (a 1) (a 1)
Der Bruchterm existiert nur, falls a
2 1 0 , dann darf gekürzt werden:
Sa x a 1
Berechnung des y-Wertes:
a S1 a 1 a
2a
g (x ) a
a a 1 a 1
Schnittpunktskoordinaten:
a 1 a
2a
S a 1 a 1
falls a 1
Speziell:
a 1 : ( ) (1
2 1) x 1
2 1 0 0 wahre Aussage , identische Geraden a 1 ( ) (( 1)
2 1) x ( 1)
2 ( 1) 0 2 Widerspruch , parallele Geraden Merke
In Abhängigkeit vom Parameter der Geradenscharen gibt es entweder
genau einen Schnittpunkt S(x
S/ y
S) oder
unendlich viele Schnittpunkte (die Geraden sind identisch) oder
keine Schnittpunkte (die Geraden sind parallel).
Beispiel:
a 2 : f (x) 2 x 1
2 g (x) 0,5 x 2
2
a 1 : f (x)
1 x 1 g (x)
1 x 1
a 1 : f (x) x 1
1 g (x) x 1
1
9 Lineare Ungleichungen
Eine lineare Ungleichung hat die Form a x b 0 bzw. a x b 0 Algebraische Lösung der linearen Ungleichung
Ansatz: Auflösen nach x.
Beispiel 1
a x b 0 a x b : a
1. Fall: b
a 0 x
a
Lösungsmenge:
1b
L x IR x a
2. Fall: b
a 0 x
a
Lösungsmenge:
2b
L x IR x a
Beispiel 2
a x b 0 a x b : a
1. Fall: b
a 0 x
a
Lösungsmenge:
1b
L x IR x a
2. Fall: b
a 0 x
a
Lösungsmenge:
2b
L x IR x a
Ungleichungen mit mehreren linearen Termen, z. B.: a x b c x d bzw. a x b c x d in die Form A x B 0 bzw. A x B 0 bringen und dann nach x auflösen.
Dabei sind folgende äquivalente Umformungen erlaubt:
- Das Addieren bzw. Subtrahieren desselben Terms auf beiden Seiten der Ungleichung.
- Das Multiplizieren der Ungleichung mit einer positiven reellen Zahl unter Beibehalten des Ungleichungszeichens.
- Das Multiplizieren der Ungleichung mit einer negativen reellen Zahl unter Umdrehen des Ungleichungszeichens.
Beispiel 3
a x b c x d
(a c) x d b :(a c)
1. Fall: d b
a c 0 x
a c
Lösungsmenge:
1d b
L x IR x
a c
2. Fall: d b
a c 0 x
a c
Lösungsmenge:
2d b
L x IR x
a c
Beispiel 4
a x b c x d
(a c) x d b :(a c)
1. Fall: d b
a c 0 x
a c
Lösungsmenge:
1d b
L x IR x
a c
2. Fall: d b
a c 0 x
a c
Lösungsmenge:
2d b
L x IR x
a c
Graphische Lösung der linearen Ungleichung
(1) Definieren eines Funktionsterms f(x) a x b mit a 0 .
(2) Suchen der Nullstelle:
0b
f(x) 0 a x b 0 x
a
(3) Skizzieren des Graphen G
fmit Hilfe der Nullstelle x
0und der Kenntnis des Vorzeichens von a.
Für a 0 ergibt sich eine steigende Gerade. Für a 0 ergibt sich eine fallende Gerade.
(4) Markieren des Bereiches des Graphen oberhalb bzw. unterhalb der x-Achse.
Die zugehörigen x-Werte bilden die Lösungsmenge der Ungleichung.
Beispiel 1 Ungleichung: 3
x 1 0 2 Funktionsterm:
13
f (x) x 1
2 Nullstelle:
1 0
3 2
f (x) 0 x 1 0 x
2 3
1 1
f (x) 0 L x IR x 2 3
Beispiel 2
Ungleichung: 1
x 0
2 Funktionsterm:
21
f (x) x
2 Nullstelle:
2 0
1 1
f (x) 0 x 0 x
2 2
2 2
f (x) 0 L x IR x 1 2
Beispiel 3
Ungleichung: 3 1
x 0
4 2
Funktionsterm:
33 1
f (x) x
4 2
Nullstelle:
3 0
3 1 2
f (x) 0 x 0 x
4 2 3
3 3
f (x) 0 L x IR x 2 3
Beispiel 4
Ungleichung: 3 1
x 0
4 2
Funktionsterm:
43 1
f (x) x
4 2
Nullstelle:
4 0
3 1 2
f (x) 0 x 0 x
4 2 3
4 4
f (x) 0 L x IR x 2 3
10 Physikalische Anwendungen Aufgabe 1
Gegeben ist ein Diagramm, welches die Bewegungsabläufe der Radfahrer A, B, C und D wiedergibt.
a) Beschreiben Sie die einzelnen Bewegungsabläufe der Fahrer A, B, C und D mit Worten.
b) Bestimmen Sie die Funktionsterme der Bewegungsabläufe der Radfahrer A, B, C und D über die allgemeine Bewegungsgleichung für den Weg y in Abhängigkeit von der Zeit t:
y(t) y
0 v t
0
Lösung zu a)
A startet im Ort P und kommt nach 3,5 Stunden in Q an.
B startet 10 km vor Ort P (in Richtung Ort Q) und kommt nach 2,5 Stunden in Q an.
C startet in Ort Q und kommt nach 4,5 Stunden in P an.
D startet eineinhalb Stunden später in Ort P und kommt nach drei Stunden in Ort Q an.
Lösung zu b)
Radfahrer A:
A70km
Akm
y (t) t y (t) 20 t
3,5h h
Radfahrer B:
B60km
Bkm
y (t) 10km t y (t) 10km 24 t
2,5h h
Radfahrer C:
C70km
Ckm
y (t) 70km t y (t) 70km 15,56 t
4,5h h
Radfahrer D:
D
D
70km km
y (t) t 1,5h y (t) 23,33 t 1,5h
3,0h h
Aufgabe 2
Ein Fluss der Breite b 120 m strömt von West nach Ost mit der gleichmäßigen Geschwin- digkeit
Fm
v 2
s . Ein Schiffchen fährt mit der konstanten Eigengeschwindigkeit
Em
v 4
s
senkrecht von Süd nach Nord über einen Fluss. Das Schiffchen starte zum Zeitpunkt t
0 0 s im gewählten Koordinatenursprung.
a) Erstellen Sie eine Zeichnung in einem geeigneten Koordinatensystem.
b) Für Bewegungen gilt das Superpositionsgesetz, d. h. die Bewegung des Schiffchens kann in Komponenten zerlegt werden. Geben Sie die Bewegungsgleichungen an.
c) Bestimmen Sie die Bahnkurve des Schiffchens und geben Sie den Auftreffpunkt am gegenüberliegenden Ufer im Koordinatensystem an.
Lösung zu Teilaufgabe a) Lösung zu Teilaufgabe b) In x-Richtung: x(t) v t
F
m x(t) 2 t
s Gleichung (1) In y-Richtung: y(t) v
E t
m y(t) 4 t
s Gleichung (2) Gleichungen (1) und (2) sind die Parameterdarstellung der gesuch- ten Bahnkurve y(x).
Lösung zu Teilaufgabe b)
In x-Richtung: x(t) v t
F m x(t) 2 t
s Gleichung (1) In y-Richtung: y(t) v
E t m
y(t) 4 t
s Gleichung (2)
Gleichungen (1) und (2) sind die Parameterdarstellung der gesuchten Bahnkurve y(x).
Lösung zu Teilaufgabe c) Der Parameter wird eliminiert:
Aus (1)
F
t x
v ;
Einsetzen in (2)
E EF F