Wahlteil A1

Aufgabe A1.1

Der Graph der Funktion $f$ mit $f(x) = -0,1x^3 + 0,5 x^2 + 3,6$ beschreibt modellhaft für $-1 \leq x \leq 5$ das Profil eines Geländequerschnitts.
Die positive $x$ -Achse weist nach Osten, $f(x)$ gibt die Höhe über dem Meeresspiegel an (1 Längeneinheit entspricht 100 m).

Auf welcher Höhe liegt der höchste Punkt des Profils?
In dem Tal westlich dieses Punktes befindet sich ein See, der im Geländequerschnitt an seiner tiefsten Stelle $10\,\text{m}$ tief ist.
Bestimme die Breite des Sees im Geländequerschnitt.
Ab einer Hangneigung von $30^{\circ}$ besteht die Gefahr, dass sich Lawinen lösen.
Besteht an der steilsten Stelle des Profils zwischen See und höchstem Punkt Lawinengefahr?

(5 VP)

Am Hang zwischen dem höchsten Punkt und dem westlich davon gelegenen Tal befindet sich ein in den Hang gebautes Gebäude, dessen rechteckige Seitenwand im Geländequerschnitt liegt.

Grafische Darstellung eines geometrischen Problems mit einem grauen Bereich und einer gekrümmten Linie.

Die Abbildung zeigt den sichtbaren Teil dieser Seitenwand. Die Oberkante der Wand verläuft waagrecht auf $540\,\text{m}$ Höhe. Von dieser Kante sind $28\,\text{m}$ sichtbar.
Untersuche, ob der Flächeninhalt des sichtbaren Wandteils größer als $130\,\text{m}^2$ ist.

(3 VP)

Der weitere Verlauf des Profils nach Osten hin kann durch eine Parabel zweiter Ordnung modelliert werden, die sich ohne Knick an den Graphen von $f$ anschließt. Ihr Scheitel liegt bei $x = 6$ und beschreibt den tiefsten Punkt eines benachbarten Tals.
Auf welcher Höhe befindet sich dieser Punkt?

(4 VP)

Aufgabe A1.2

Gegeben ist die Funktion $h$ mit $h(x) = \dfrac{1}{x^2}-\dfrac{1}{4},$ deren Graph symmetrisch zur $y$ -Achse ist. Es gibt einen Kreis, der den Graphen von $h$ in dessen Schnittpunkten mit der $x$ -Achse berührt.
Berechne die Koordinaten des Mittelpunkts dieses Kreises.

(3 VP)

Aufgabe A 1.1

$\blacktriangleright$ Höchsten Punkt bestimmen

Gegeben ist eine Funktion, deren Graph modellhaft das Profil eines Geländeabschnitts beschreibt. Gesucht ist nun die Höhe des höchsten Punkts innerhalb des vorgegebenen Bereichs. Du sollst hier also das globale Maximum des Intervalls bestimmen. Untersuche den Graphen dazu zunächst auf einen Hochpunkt mit Hilfe deines GTR. Da hier aber ein festes Intervall vorgegeben ist, musst du anschließend noch die Funktionswerte an den Randstellen bestimmen, um ein mögliches Randextremum zu überprüfen.

1. Schritt: Hochpunkt bestimmen

Lass dir also den Graphen in deinem GTR anzeigen. Den Befehl für ein Maximum findest du dann unter:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 4: maximum

Der GTR liefert dir einen Hochpunkt mit den ungefähren Koordinaten $H(3,33\mid 5,45)$ .

Graph eines mathematischen Funktion mit Achsen und Berechnungen für Maximum.

Abb. 1: Maximum bestimmen

2. Schritt: Intervallgrenzen untersuchen

Überprüfe nun die Intervallgrenzen auf Randextrema, indem du die Funktionswerte berechnest. Den Befehl dafür findest du unter:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 1: value

Du erhältst folgende Funktionswerte:

$f(-1) = 4,2\quad$ und $\quad$ $f(5)= 3,6$

Grafik eines mathematischen Funktionsgraphen mit Koordinaten und einer Kurve.

Abb. 2: Intervallgrenze $x=-1$

Graph einer mathematischen Funktion mit Koordinaten und Achsenbeschriftung.

Abb. 3: Intervallgrenze $x=5$

Durch den Vergleich dieser Funktionswerte mit der $y$ -Koordinate des Hochpunkts erhältst du, dass der höchste Punkt des Graphen im Bereich $-1\leq x\leq 5$ der Hochpunkt $H$ ist. Um die Höhe des höchsten Punkts des Bergs zu berechnen, musst du nun noch den Maßstab beachten:

Für den Hochpunkt gilt $y_H \approx 5,45$ . Da eine Längeneinheit $100\,\text{m}$ entspricht, besitzt der höchste Punkt des Geländequerschnitts eine Höhe von ca. $545\,\text{m}$ .

$\blacktriangleright$ Breite des Sees bestimmen

Der See liegt in dem Tal westlich des höchsten Punktes und besitzt an seiner tiefsten Stelle eine Tiefe von $10$ Metern. Erstelle dir zunächst eine Skizze, um dir den Sachverhalt klarzumachen.

Diagramm einer Wasseroberfläche mit Breite und Tiefe von 10 m.

Abb. 4: Skizze des Sees

Die Breite des Sees ergibt sich als Abstand der Stellen, an denen die Wasseroberfläche auf das Gelände trifft. Die Wasseroberfläche kannst du durch eine Gerade modellieren. Die Stellen, an denen die Wasseroberfläche auf das Land trifft, entsprechen im Modell den Schnittpunkten der Geraden mit dem Graphen von $f$ . Die Breite des Sees kannst du dann über den Abstand dieser Schnittpunkte zueinander bestimmen.
Mit Hilfe der angegebenen Tiefe des Sees kannst du eine Gleichung für die Gerade $g$ bestimmen und die Schnittpunkte mit dem Graphen von $f$ anschließend mit deinem GTR berechnen. Beachte auch hier den Maßstab.

1. Schritt: Geradengleichung aufstellen

An der tiefsten Stelle liegt die Wasseroberfläche $10$ Meter über dem Boden des Sees. Im Modell wird diese Stelle durch den lokalen Tiefpunkt $T(x_T\mid y_T)$ des Graphen von $f$ beschrieben. Die gesuchte Gerade liegt also $0,1$ Längeneinheiten über dem Tiefpunkt des Graphen.

Du kannst nun erst die Koordinaten des Tiefpunkts mit Hilfe deines GTR bestimmen. Den Befehl dafür findest du unter:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 3: minimum

Du erhältst die Koordinaten $T(0\mid 3,6)$ .

Grafik eines Funktionsgraphen mit einem Minimumspunkt auf einem Taschenrechner-Display.

Abb. 5: Tiefpunkt

Die Gerade muss parallel zur $x$ -Achse verlaufen, also eine Gleichung der Form $y =b$ haben. $b$ setzt sich dabei aus der $y$ - Koordinate des Tiefpunkts ( $3,6$ ) und der Tiefe des Sees ( $10\,\text{m } \hat{=}\, 0,1$ LE) zusammen.
Also gilt:

$g: \quad y = 3,6+ 0,1 = 3,7$

2. Schritt: Schnittpunkte bestimmen

Die Schnittpunkte der Geraden zu $g$ mit dem Graphen von $f$ stellen im Modell die Stellen dar, in denen die Wasseroberfläche auf das Geländeprofil trifft. Lass dir die beiden Graphen im GTR anzeigen. Mit folgendem Befehl kannst du die Schnittpunkte bestimmen:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 5: intersect

Die Koordinaten lauten gerundet $S(-0,43\mid 3,7)$ und $P(0,47\mid 3,7)$ .

Grafische Darstellung einer mathematischen Funktion mit Schnittpunkt und Koordinaten.

Abb. 6: 1. Schnittpunkt

Grafische Darstellung einer Funktion mit Schnittpunkten auf einem Koordinatensystem.

Abb. 7: 2. Schnittpunkt

3. Schritt: Abstand berechnen

Der Abstand zwischen den beiden Schnittpunkten ergibt sich aus den Beträgen der $x$ -Koordinaten, da beide dieselbe $y$ -Koordinate besitzen:

$d(S,P)\approx 0,47+ 0,43 = 0,9$

Nun musst du noch den Maßstab beachten: $0,9$ LE entsprechen $90\,\text{m}$ . Der See ist also ca. $90\,\text{m}$ breit.

$\blacktriangleright$ Lawinengefahr untersuchen

Du sollst überprüfen, ob an der steilsten Stelle des Profils zwischen See und höchstem Punkt Lawinengefahr besteht. Dazu musst du zunächst berechnen, welche die steilste Stelle ist. Da der Graph zwischen See und höchstem Punkt ansteigt, ist dies die Stelle mit dem steilsten Anstieg, also der größten Steigung.

Da die erste Ableitung $f‘$ einer Funktion $f$ immer die Steigung des zu $f$ gehörenden Graphen beschreibt, ist hier also eine Maximalstelle von $f‘$ und der zugehörige Steigungswinkel des Grpahen von $f$ gesucht. Bilde also die erste Ableitungsfunktion von $f$ und bestimme wie oben das Maximum mit deinem GTR:

$\begin{array}[t]{rll} f(x)&=& -0,1x^3+0,5x^2+3,6&\quad \scriptsize \\[10pt] f‘(x)&=& -0,3x^2+x &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$

Mit dem GTR erhältst du, dass die Stelle mit dem steilsten Anstieg bei $x \approx 1,67$ liegt. Der Funktionswert von $f‘$ an dieser Stelle beschreibt die Steigung, also beträgt sie ca. $0,83$ . Den Steigungswinkel $\alpha$ kannst du mit Hilfe folgender Formel bestimmen. $m$ ist dabei die Steigung des Graphen an der entsprechenden Stelle.

$\tan(\alpha) = m$

$\begin{array}[t]{rll} \tan(\alpha)&=& 0,83 &\quad \scriptsize \mid\; \tan^{-1} \\[5pt] \alpha&\approx& 39,69\,^{\circ} &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$

Grafik eines mathematischen Graphen mit einer Parabel und einem Maximum.

Abb. 8: Maximale Steigung

An der steilsten Stelle zwischen See und höchstem Punkt steigt das Profil in einem Winkel von ca. $39,69\,^{\circ}$ an. Dort besteht also Lawinengefahr.

$\blacktriangleright$ Flächeninhalt berechnen

Um den Flächeninhalt $A$ des sichtbaren Wandteils zu berechnen, ist es hilfreich zunächst die Skizze auf dem Aufgabenblatt mit den bereits bekannten Werten zu beschriften:

Diagramm mit einer Kurve und Maßangaben für E, F und eine Strecke von 28 m.

Abb. 9: Skizze zur Hauswand

Die obere Kante der Wand kannst du als Gerade $h$ modellieren. Die gesuchte Fläche wird dann durch die Fläche zwischen $h$ und dem Graphen von $f$ in einem bestimmten Bereich dargestellt. Dieser Flächeninhalt lässt sich dann als Integral über $h-f$ berechnen. Du musst vorher allerdings noch die Integrationsgrenzen bestimmen. Diese ergeben sich aus den $x$ -Koordinaten der beiden Eckpunkte $E$ und $F$ . In jedem Schritt musst du den Maßstab beachten.

1. Schritt: Grenzen bestimmen

Die Oberkante befindet sich $540\,\text{m}$ über dem Meeresspiegel und verläuft waagerecht, also kann sie durch die Gerade mit der folgenden Funktionsgleichung modelliert werden:

$h:\quad y = 5,4$

Der östliche Endpunkt des sichtbaren Teils der Wand wird dann durch einen Schnittpunkt $F$ der Geraden $h$ mit dem Graphen von $f$ dargestellt.

Du kannst die Koordinaten von $F$ wie oben mit deinem GTR berechnen. Beachte, dass es mehr als einen Schnittpunkt geben kann, das Gebäude aber westlich des höchsten Punkts liegt.

Der GTR liefert dir den Schnittpunkt $F(3\mid 5,4)$ . Die obere Grenze des Integrals ist demnach $x_F=3$ . Die obere Kante ist $28\,\text{m}$ lang, also beträgt der Abstand zwischen $E$ und $F$ $0,28$ Längeneinheiten. Die $x$ -Koordinate von $E$ ist also $x_E = x_F- 0,28 = 3-0,28 = 2,72$ .

Graph einer Funktion mit Schnittpunkt bei X=3 und Y=5,4 auf einem Taschenrechner-Display.

Abb. 10: Schnittpunkt

2. Schritt: Flächeninhalt berechnen

Gesucht ist jetzt das Integral über $h-f$ von $x_E = 2,72$ bis $x_F = 3$ : $\quad \displaystyle\int_{2,72}^{3}\left(5,4- f(x)\right)\;\mathrm dx$

Dies kannst du ebenfalls mit deinem GTR berechnen. Lass dir dazu den Graphen zur Funktion $d(x) = h(x)- f(x)$ anzeigen. Den Befehl für ein Integral findest du dann unter:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 7: $\displaystyle\int f(x)\;\mathrm dx$

Du erhältst folgendes Ergebnis:

$\displaystyle\int_{2,72}^{3}\left(5,4- f(x)\right)\;\mathrm dx \approx 0,01453$

Grafik einer mathematischen Funktion mit Integralberechnung auf einem Taschenrechner-Display.

Abb. 11: Integral

Um die Fläche der Hauswand zu berechnen, musst du nun noch den Maßstab mit einbeziehen. Beachte, dass es sich diesmal um Flächeneinheiten und Quadratmeter handelt. Da eine Längeneinheit $100$ Metern entspricht, entspricht eine Flächeneinheit $100 \cdot 100\, \text{m}^2 = 10.000 \, \text{m}^2$ . Der sichtbare Teil der Wand besitzt also in etwa folgenden Flächeninhalt:

$A \approx 0,01453 \cdot 10.000 \,\text{m}^2= 145,3\,\text{m}^2$

Damit ist der sichtbare Teil der Wand größer als $130\,\text{m}^2$ .

$\blacktriangleright$ Höhe des tiefsten Punkts berechnen

Du sollst die Höhe des tiefsten Punkts des östlichen Tals berechnen. Das Profil dieses Tals kann im Modell durch die Parabel einer quadratischen Funktion $p$ beschrieben werden. Der tiefste Punkt des Tals wird durch den Scheitelpunkt der Parabel dargestellt, der damit gleichzeitig auch ein Tiefpunkt ist. Um diesen zu bestimmen, kannst du zunächst die Funktionsgleichung von $p$ aufstellen.

Da $p$ eine quadratische Funktion ist, hat die Funktionsgleichung allgemein folgende Form:

$p(x) = ax^2+bx+c$

Du benötigst also drei Bedingungen, die du dem Aufgabentext entnehmen kannst:

Nahtloser Übergang vom Graphen von zur Parabel:
- Gleicher Funktionswert an der Übergangsstelle $x =5$
- Gleiche Steigung bei $x=5$
Scheitelpunkt/Tiefpunkt an der Stelle $x=6$

Diese Bedingungen kannst du nun für die Funktionsgleichung von $p$ formulieren. Beachte das notwendige Kriterium für einen Tiefpunkt $p‘(x) = 0$ :

$p(5) = f(5)$
$p‘(5)=f‘(5)$
$p‘(6)=0$

1. Schritt: Bedingungen aufstellen

Du benötigst die erste Ableitungsfunktion von $p$ :

$p‘(x) = 2\cdot a\cdot x +b = 2ax +b$

Außerdem benötigst du den Funktionswert $f(5)$ und die Steigung an dieser Stelle $f‘(5)$ . Diese kannst du wie oben mit deinem GTR berechnen:

$f(5) = 3,6\quad$ $f‘(5) = -2,5$

Damit kannst du nun die Bedingungen für die Funktionsgleichung vollständig aufstellen:

$a\cdot 5^2 +b\cdot 5 +c = 3,6$
$2a\cdot 5+ b = -2,5$
$2a\cdot 6 +b = 0$

2. Schritt: Funktionsgleichung aufstellen

Du erhältst folgendes lineares Gleichungssystem (LGS):

$\begin{array}{} \text{I}\quad&3,6&=& 25a+5b+c\\ \text{II}\quad&-2,5&=&10a+b\\ \text{III}\quad&0&=&12a+b\\ \end{array}$

Du kannst das LGS lösen, indem du zunächst die dritte Gleichung nach $b$ auflöst und in $\text{II}$ einsetzt:

$\begin{array}[t]{lrl} \text{III}& \quad 12a +b &=&0 &\quad \scriptsize \mid\; -12a\\[5pt] \text{IIIa}& b&=&-12a \end{array}$

Einsetzen in $\text{II}$ liefert dann:

$\begin{array}[t]{rll} \text{II}\quad 10a+b&=& -2,5 &\quad \scriptsize \mid\; b = -12a \\[5pt] 10a-12a&=&-2,5 &\quad \scriptsize \\[5pt] -2a&=&-2,5 &\quad \scriptsize \mid\; :(-2)\\[5pt] a&=&1,25 \\[5pt] \end{array}$

Dies kannst du wiederum in $\text{IIIa}$ einsetzen:

$b = -12a = -12\cdot 1,25 = -15$

Die jeweilige Lösung für $a$ und $b$ kannst du nun in $\text{I}$ einsetzen und so die Lösung für $c$ berechnen:

$c = 47,35$

Vollständige Lösung anzeigen

Die Funktionsgleichung der Parabel lautet also:

$p(x) = 1,25 x^2-15x +47,35$

3. Schritt: Koordinaten des Tiefpunkts bestimmen

Die Koordinaten des Tiefpunkts der Parabel kannst du nun entweder über die minimum-Funktion oder die value-Funktion deines GTR bestimmen, indem du den Funktionswert an der Stelle $x =6$ bestimmst, da du bereits weißt, dass dort der Tiefpunkt liegen soll:

$T(6\mid 2,35)$

Um die Höhe des Punktes im Gelände zu berechnen, beachte wieder den Maßstab:

$2,35\cdot 100 \,\text{m} = 235\,\text{m}$

Graph einer mathematischen Funktion mit orangefarbener Kurve und Achsenbeschriftungen.

Abb. 12: Funktionswert bestimmen

Der tiefste Punkt des östlich liegenden Tals liegt in einer Höhe von $235\,\text{m}$ .

Aufgabe A 1.2

$\blacktriangleright$ Mittelpunkt des Kreises berechnen

Um dir den Sachverhalt besser vorzustellen, betrachte zunächst den Graphen von $h$ in deinem GTR:

Grafik einer mathematischen Funktion mit zwei symmetrischen Kurven in roter Farbe.

Abb. 13: Schaubild des Graphen

Der Kreis soll den Graphen in den Schnittpunkten mit der $x$ -Achse nur berühren, ihn aber nicht schneiden. Die jeweilige Tangente an den Graphen in diesen Punkten, soll also auch eine Tangente an den Kreis sein. Das bedeutet, dass die Tangente senkrecht liegen muss, zu der Strecke, die den betrachteten Punkt mit dem Mittelpunkt verbindet.

Der Mittelpunkt $M$ muss also auf der Normalen von $h$ in diesem Punkt liegen, dies gilt für beide Schnittpunkte mit der $x$ -Achse. Da der Graph achsensymmetrisch zur $y$ -Achse ist, ist $M$ genau der Schnittpunkt beider Normalen mit der $y$ -Achse und es genügt die Normale nur für einen der beiden Schnittpunkte zu bestimmen.

Geometrische Darstellung eines Kreises mit Linien und Winkeln.

Abb. 14: Kreisskizze

1. Schritt: Schnittpunkte bestimmen

Die Schnittpunkte mit der $x$ -Achse kannst du mit deinem GTR über folgenden Befehl bestimmen:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 2: zero

Dann erhältst du folgende Schnittpunkte:

$S_1(-2\mid 0)\quad$ und $\quad S_2(2\mid 0)$

Graph einer Funktion mit einer Nullstelle bei X=2, dargestellt auf einem Taschenrechner-Bildschirm.

Abb. 15: Schaubild des Graphen

2. Schritt: Normalengleichung aufstellen

Eine Normale des Graphen einer Funktion $f$ im Punkt $P(x_P\mid y_P)$ ist eine Gerade $n: \quad y = mx +b$ , die ebenfalls durch den Punkt $P$ verläuft und für deren Steigung $m$ folgende Formel gilt:

$m = -\dfrac{1}{f‘(x_P)}$

Betrachtest du den Schnittpunkt $S_1(-2\mid 0)$ , kannst du die Steigung $h‘(-2)$ mit deinem GTR über folgenden Befehl berechnen:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 6: $dy/dx$

Du erhältst dann: $h‘(-2) \approx 0,25$ und damit für die Steigung der Normalen:

$m = -\dfrac{1}{0,25} = -4$

Grafik einer mathematischen Funktion mit Ableitung an einem Punkt, dargestellt auf einem Taschenrechner-Bildschirm.

Abb. 16: Steigungsberechnung

Damit die Normale ebenfalls durch den Punkt $S_1$ läuft, musst du nun noch die Koordinaten in die Funktionsgleichung einsetzen, um $b$ zu berechnen:

$\begin{array}[t]{rll} y&=&m\cdot x +b &\quad \scriptsize \mid\; m = -4 \\[5pt] y&=& -4x+b&\quad \scriptsize \mid\; S_1(-2\mid 0)\\[5pt] 0&=&-4\cdot (-2) +b &\quad \scriptsize \mid\; -8 \\[5pt] -8&=&b &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$

Damit hat die Normale im Punkt $S_1(-2\mid 0)$ die Funktionsgleichung $n:\quad y= -4x -8$ . An einer Geradengleichung kannst du die $y$ -Koordinate des Schnittpunkts mit der $y$ -Achse direkt ablesen. Die Normale schneidet die $y$ -Achse im Punkt $M(0\mid-8)$ . Dies ist gleichzeitig der Mittelpunkt des Kreises.

Bildnachweise [nach oben]

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Aufgabe A 1.1

$\blacktriangleright$ Höchsten Punkt bestimmen

1. Schritt: Hochpunkt bestimmen

Lass dir also den Graphen in deinem GTR anzeigen. Den Befehl für ein Maximum findest du dann unter:

F5 (G-Solv) $\to$ F2 (MAX)

Der GTR liefert dir einen Hochpunkt mit den ungefähren Koordinaten $H(3,33\mid 5,45)$ .

Graph einer mathematischen Funktion mit Achsenbeschriftungen und Koordinaten.

Abb. 1: Maximum bestimmen

2. Schritt: Intervallgrenzen untersuchen

Überprüfe nun die Intervallgrenzen auf Randextrema, indem du die Funktionswerte berechnest. Den Befehl dafür findest du unter:

2ND $\to$ TRACE (CALC) $\to$ 1: value

Du erhältst folgende Funktionswerte:

$f(-1) = 4,2\quad$ und $\quad$ $f(5)= 3,6$

Grafik einer mathematischen Funktion mit Achsen und einem Punkt.

Abb. 2: Intervallgrenze $x=-1$

Grafische Darstellung einer mathematischen Funktion mit Koordinaten und Werten.

Abb. 3: Intervallgrenze $x=5$

Für den Hochpunkt gilt $y_H \approx 5,45$ . Da eine Längeneinheit $100\,\text{m}$ entspricht, besitzt der höchste Punkt des Geländequerschnitts eine Höhe von ca. $545\,\text{m}$ .

$\blacktriangleright$ Breite des Sees bestimmen

Der See liegt in dem Tal westlich des höchsten Punktes und besitzt an seiner tiefsten Stelle eine Tiefe von $10$ Metern. Erstelle dir zunächst eine Skizze, um dir den Sachverhalt klarzumachen.

Abb. 4: Skizze des Sees

1. Schritt: Geradengleichung aufstellen

Du kannst nun erst die Koordinaten des Tiefpunkts mit Hilfe deines GTR bestimmen. Den Befehl dafür findest du unter:

F5(G-Solv) $\to$ F3(MIN)

Du erhältst die Koordinaten $T(0\mid 3,6)$ .

Graph einer quadratischen Funktion mit Minimalwert und Achsenbeschriftungen.

Abb. 5: Tiefpunkt

$g: \quad y = 3,6+ 0,1 = 3,7$

2. Schritt: Schnittpunkte bestimmen

F5(G-Solv) $\to$ F5 (ISCT)

Die Koordinaten lauten gerundet $S(-0,43\mid 3,7)$ und $P(0,47\mid 3,7)$ .

Graph einer Funktion mit zwei Gleichungen und Schnittpunkt. Achsen und Werte sind sichtbar.

Abb. 6: 1. Schnittpunkt

Mathematische Grafik mit Funktionen Y1 und Y2, die einen Schnittpunkt zeigt.

Abb. 7: 2. Schnittpunkt

3. Schritt: Abstand berechnen

Der Abstand zwischen den beiden Schnittpunkten ergibt sich aus den Beträgen der $x$ -Koordinaten, da beide dieselbe $y$ -Koordinate besitzen:

$d(S,P)\approx 0,47+ 0,43 = 0,9$

Nun musst du noch den Maßstab beachten: $0,9$ LE entsprechen $90\,\text{m}$ . Der See ist also ca. $90\,\text{m}$ breit.

$\blacktriangleright$ Lawinengefahr untersuchen

$\begin{array}[t]{rll} f(x)&=& -0,1x^3+0,5x^2+3,6&\quad \scriptsize \\[10pt] f‘(x)&=& -0,3x^2+x &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$

$\tan(\alpha) = m$

$\begin{array}[t]{rll} \tan(\alpha)&=& 0,83 &\quad \scriptsize \mid\; \tan^{-1} \\[5pt] \alpha&\approx& 39,69\,^{\circ} &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$

Graph einer quadratischen Funktion mit Maximalpunkt und Achsenbeschriftungen.

Abb. 8: Maximale Steigung

An der steilsten Stelle zwischen See und höchstem Punkt steigt das Profil in einem Winkel von ca. $39,69\,^{\circ}$ an. Dort besteht also Lawinengefahr.

$\blacktriangleright$ Flächeninhalt berechnen

Um den Flächeninhalt $A$ des sichtbaren Wandteils zu berechnen, ist es hilfreich zunächst die Skizze auf dem Aufgabenblatt mit den bereits bekannten Werten zu beschriften:

Abb. 9: Skizze zur Hauswand

1. Schritt: Grenzen bestimmen

Die Oberkante befindet sich $540\,\text{m}$ über dem Meeresspiegel und verläuft waagerecht, also kann sie durch die Gerade mit der folgenden Funktionsgleichung modelliert werden:

$h:\quad y = 5,4$

Der östliche Endpunkt des sichtbaren Teils der Wand wird dann durch einen Schnittpunkt $F$ der Geraden $h$ mit dem Graphen von $f$ dargestellt.

Du kannst die Koordinaten von $F$ wie oben mit deinem GTR berechnen. Beachte, dass es mehr als einen Schnittpunkt geben kann, das Gebäude aber westlich des höchsten Punkts liegt.

Diagramm einer mathematischen Funktion mit Koordinaten und einer Schnittstelle bei y=5.4.

Abb. 10: Schnittpunkt

2. Schritt: Flächeninhalt berechnen

Gesucht ist jetzt das Integral über $h-f$ von $x_E = 2,72$ bis $x_F = 3$ : $\quad \displaystyle\int_{2,72}^{3}\left(5,4- f(x)\right)\;\mathrm dx$

Dies kannst du ebenfalls mit deinem GTR berechnen. Lass dir dazu den Graphen zur Funktion $d(x) = h(x)- f(x)$ anzeigen. Den Befehl für ein Integral findest du dann unter:

F5 (G-Solv) $\to$ F6 ( $\triangleright$ ) $\to$ F3 $\displaystyle\int\;\mathrm dx$

Du erhältst folgendes Ergebnis:

$\displaystyle\int_{2,72}^{3}\left(5,4- f(x)\right)\;\mathrm dx \approx 0,01453$

Grafische Darstellung einer mathematischen Funktion mit Achsen und Werten für LOWER, UPPER und sd.

Abb. 11: Integral

$A \approx 0,01453 \cdot 10.000 \,\text{m}^2= 145,3\,\text{m}^2$

Damit ist der sichtbare Teil der Wand größer als $130\,\text{m}^2$ .

$\blacktriangleright$ Höhe des tiefsten Punkts berechnen

Da $p$ eine quadratische Funktion ist, hat die Funktionsgleichung allgemein folgende Form:

$p(x) = ax^2+bx+c$

Du benötigst also drei Bedingungen, die du dem Aufgabentext entnehmen kannst:

Nahtloser Übergang vom Graphen von zur Parabel:
- Gleicher Funktionswert an der Übergangsstelle $x =5$
- Gleiche Steigung bei $x=5$
Scheitelpunkt/Tiefpunkt an der Stelle $x=6$

Diese Bedingungen kannst du nun für die Funktionsgleichung von $p$ formulieren. Beachte das notwendige Kriterium für einen Tiefpunkt $p‘(x) = 0$ :

$p(5) = f(5)$
$p‘(5)=f‘(5)$
$p‘(6)=0$

1. Schritt: Bedingungen aufstellen

Du benötigst die erste Ableitungsfunktion von $p$ :

$p‘(x) = 2\cdot a\cdot x +b = 2ax +b$

Außerdem benötigst du den Funktionswert $f(5)$ und die Steigung an dieser Stelle $f‘(5)$ . Diese kannst du wie oben mit deinem GTR berechnen:

$f(5) = 3,6\quad$ $f‘(5) = -2,5$

Damit kannst du nun die Bedingungen für die Funktionsgleichung vollständig aufstellen:

$a\cdot 5^2 +b\cdot 5 +c = 3,6$
$2a\cdot 5+ b = -2,5$
$2a\cdot 6 +b = 0$

2. Schritt: Funktionsgleichung aufstellen

Du erhältst folgendes lineares Gleichungssystem (LGS):

$\begin{array}{} \text{I}\quad&3,6&=& 25a+5b+c\\ \text{II}\quad&-2,5&=&10a+b\\ \text{III}\quad&0&=&12a+b\\ \end{array}$

Du kannst das LGS lösen, indem du zunächst die dritte Gleichung nach $b$ auflöst und in $\text{II}$ einsetzt:

$\begin{array}[t]{lrl} \text{III}& \quad 12a +b &=&0 &\quad \scriptsize \mid\; -12a\\[5pt] \text{IIIa}& b&=&-12a \end{array}$

Einsetzen in $\text{II}$ liefert dann:

Dies kannst du wiederum in $\text{IIIa}$ einsetzen:

$b = -12a = -12\cdot 1,25 = -15$

Die jeweilige Lösung für $a$ und $b$ kannst du nun in $\text{I}$ einsetzen und so die Lösung für $c$ berechnen:

$c = 47,35$

Vollständige Lösung anzeigen

Die Funktionsgleichung der Parabel lautet also:

$p(x) = 1,25 x^2-15x +47,35$

3. Schritt: Koordinaten des Tiefpunkts bestimmen

$T(6\mid 2,35)$

Um die Höhe des Punktes im Gelände zu berechnen, beachte wieder den Maßstab:

$2,35\cdot 100 \,\text{m} = 235\,\text{m}$

Graf einer quadratischen Funktion mit Minimum bei x=6 und y=2.35.

Abb. 12: Funktionswert bestimmen

Der tiefste Punkt des östlich liegenden Tals liegt in einer Höhe von $235\,\text{m}$ .

Aufgabe A 1.2

$\blacktriangleright$ Mittelpunkt des Kreises berechnen

Um dir den Sachverhalt besser vorzustellen, betrachte zunächst den Graphen von $h$ in deinem GTR:

Grafik eines mathematischen Diagramms mit zwei Kurven, die sich um die y-Achse gruppieren.

Abb. 13: Schubild des Graphen

Abb. 14: Kreisskizze

1. Schritt: Schnittpunkte bestimmen

Die Schnittpunkte mit der $x$ -Achse kannst du mit deinem GTR über folgenden Befehl bestimmen:

F5 (G-Solv) $\to$ F1 (ROOT)

Dann erhältst du folgende Schnittpunkte:

$S_1(-2\mid 0)\quad$ und $\quad S_2(2\mid 0)$

Grafik einer mathematischen Funktion mit Achsenbeschriftung und Kurvenverlauf.

Abb. 15: Schubild des Graphen

2. Schritt: Normalengleichung aufstellen

$m = -\dfrac{1}{f‘(x_P)}$

Betrachte den Schnittpunkt $S_1(-2\mid 0)$ . Um die Steigung $h‘(-2)$ zu berechnen, bilde zunächst die erste Ableitungsfunktion $h‘$ und lass dir den zughörigen Graphen in deinem GTR anzeigen. $h‘(-2)$ kannst du dann wie oben berechnen.

$\begin{array}[t]{rll} h(x)&=& \dfrac{1}{x^2}-\dfrac{1}{4} &\quad \scriptsize \\[5pt] &=& x^{-2} -\frac{1}{4} &\quad \scriptsize \\[5pt] h‘(x)&=&-2\cdot x^{-3} &\quad \scriptsize \\[5pt] &=&\dfrac{-2}{x^3} &\quad \scriptsize \\[5pt] \end{array}$