M9 Quadratische Funktionen und lineare Gleichungssysteme

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Version vom 24. Februar 2021, 12:57 Uhr von Karlhaberl (Diskussion | Beiträge)

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In der 8. Klasse hast du gelernt lineare Gleichungssysteme von zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten zu lösen. Schau dir zur Wiederholung wie das geht dieses Video an:

Wir brauchen diese Verfahren um folgendes Problem zu lösen. Wir haben Punkte und wollen schauen, ob die Punkte auf einer Parabel liegen.

Ein Tourist schreibt aus St. Louis (USA) eine Ansichtskarte nach Hause.

STL Skyline 2007 edit.jpg

Er beschreibt die besonderheit des Gateway Arch, dass die Breite unten am Fuß genauso groß ist wie die Höhe des Bauwerks, nämlich 192m. Und es erinnert ihn sehr an eine Parabel.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 1

Kannst du eine Parabelgleichung für den Bogen angeben?

Legt man in den linken unteren Fußpunkt den Ursprung eines Koordinatensystems, so ist der rechte Fußpunkt bei (192;0) und der Scheitel S(96;192).
Mit der Scheitelform der Parabelgleichung erhält man sofort y = a(x-96)^2+192.
Nun muss man noch a bestimmen. Dazu verwendet man den linken Fußpunkt (0;0). Setzt man die Koordinatenwerte in die Gleichung ein, dann hat man 0 = a(-96)^2+192 und es ergibt sich a = -\frac{192}{96^2}=-\frac{1}{48}.
Also erhält man als Parabelgleichung y=-\frac{1}{48}(x-96)^2+192

Man bringt diese Gleichung noch auf die normale Form -\frac{1}{48}(x^2-192x+ 96^2)+192=-\frac{1}{48}x^2+4x -192+192=-\frac{1}{48}x^2 + 4x, also y=-\frac{1}{48}x^2 + 4x.

Wenn der Scheitel S und eine Nullstelle gegeben ist kann man mit der Scheitelform relativ leicht eine Parabelgleichung angeben.

Was macht man aber, wenn man nur drei Punkte A, B und C gegeben hat.

1. Beispiel: Gegeben sind die drei Punkte A(0;0), B(2;4) und C(3;9).
Da du fit bei den quadratischen Funktionen bist sieht du sofort, dass die Punkte auf dem Graph der Funktion f:x\rightarrow x^2, der Normalparabel liegen.

Wenn du es nicht sofort sieht, dann mach folgende Überlegung mit.
Wir wollen schauen, ob es eine Parabel gibt, auf der die drei Punkte liegen. Eine Parabel hat die Gleichung y = ax^2+bx+c. Wenn wir die Koordinaten der drei Punkte jeweils einsetzen, dann erhalten wir drei Gleichungen:
Punkt A(0;0) --> 0=a\cdot 0^2 + b\cdot 0 + c
Punkt B(2;4) --> 4=a\cdot 2^2 + b \cdot 2 + c
Punkt C(3;9) --> 9 = a\cdot 3^2 + b\cdot 3 + c.
Wir müssen also die Koeffizienten a, b, c der Parabelgleichung bestimmen und dafür stehen uns die drei Gleichungen zur Verfügung.
Aus der 1. Gleichung für A erhält man sofort c=0. Also hat man nur noch zwei Gleichungen in die wir für c auch 0 gleich einsetzen.
Punkt B --> 4 = 4a + 2b
Punkt C --> 9 = 9a + 3b
Dividiert man die Gleichung von B durch 2 und löst sie nach b auf, dann erhält man b = 2-2a.
Setzt man dies für b in die Gleichung von C ein, dann muss man die Gleichung 9 = 9a +3(2-2a) lösen.
Klammern auflösen und alles mit a auf die linke Seite und alles ohne a auf rechte Seite bringen: 3 = 3a
Die Seiten vertauschen und durch den Koeffizienten von a teilen, liefert a = 1
Damit ist dann b=2-2\cdot 1=0 und die Gleichung der Parabel ist y=x^2

2. Beispiel: Gegeben sind die drei Punkte A(0;2), B(4;18) und C(-1;8).
Hier sieht man, auch wenn man fit bei den quadratischen Funktionen ist, nicht sofort die Funktions- bzw. Parabelgleichung.
Aber das Verfahren, das wir gerade kennengelernt haben funktioniert auch hier.
Da wir die Funktionsgleichung nicht kennen, machen wir den allgemeinen Ansatz y = ax^2+bx+c und setzen jeweils die Koordinten der drei Punkte ein.
Punkt A/0;2) --> 2 = a\cdot 0^2 + b\cdot 0 + c
Punkt B(4;18) --> 18=a\cdot 4^2 + b\cdot 4 + c
Punkte C(-1;8) --> 8 = a \cdot (-1)^2 + b\cdot (-1) + c
Aus der Gleichung für A erhält man auch hier sofort c=2. Diesen Wert 2 für c setzen wir in die anderen zwei Gleichungen ein.
Punkt B --> 18=16a+4b+2
Punkt C --> 8=a -b +2
Nun fassst man die beiden Gleichungen zusammen
B: 16 = 16a + 4b
C: 6 = a-b
Nun kann man die Gleichung von B durch 4 teilen und nach b auf lösen und hat dann b=4-4a. Setzt man dies in die Gleichung für C ein, dann hat man 6=a-(4-4a). Da vor b ein - steht, macht man um 4-4a Klammern!
6=a-4+4a --> 10 = 5a --> a = 2
Damit ist dann b= 4-4a = 4-4\cdot 2=-4
Die Funktionsgleichung bzw. die Gleichung der Parabel ist y=2x^2-4x+2

3. Beispiel: Gegeben sind die zwei Punkte P(0;0), S(0,5;1,5), wobei S der Scheitelpunkt ist.
Hier sind nur zwei Punkte gegeben, aber der Scheitel ist dabei. Damit könnten wir es mit der Scheitelform machen.
y=a(x-0,5)^2-1,5 und 0=a(1-0,5)^2+1,5.
Die zweite Gleichung liefert 0 =a\cdot 0,25+1,5 und a=-6.
Also ist die Parabelgleichung y = -6(x-0,5)^2+1,6 oder y=-6x^2+6x

Es geht aber auch mit der Methode, die wir gerade kennengelernt haben. Der allgemeine Ansatz ist wieder y=ax^2+bx+c
Punkt P(0;0) --> 0=a\cdot 0^2+b\cdot 0 + c
Punkt S(0,5;1,5) --> 1,5=a\cdot 0,5^2 + b\cdot 0,5 +c
Aus der Gleichung für P erhält man c=0. Dies setzt man in die Gleichung von S ein.
1,5=0,25a+0,5b.
Nun hat man aber eine Gleichung aber mit zwei Unbekannten. Wie soll man das lösen? Dafür gibt es unendlich viele Lösungen.
Nun erinnert man sich, dass diese Parabel noch eine zweite Nullstelle hat. Die x-Koordinate von S liegt in der Mitte der beiden Nullstellen, also ist die zweite Nullstelle Q(1;0) und damit hat man eine dritte Gleichung.
Punkt Q --> 0=a\cdot 1^2+b\cdot 1.
Nun muss man folgendes Gleichungssystem aus zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten a und b lösen.
P --> 1,5=0,25a+0,5b
Q --> 0 = a+b
Man löst die Glelichung für Q nach a auf -->  a = -b und setzt dies in die Gleichung für P ein.
1,5 = 0,25\cdot (-b) + 0,5b --> 1,5=0,25b und bb=6.
Damit ist a=-6 und die Gleichung der Parabel y=-6x^2+6x, also das selbe Ergebnis wie oben.

4. Beispiel: Gegeben sind die Punkte A(-1;7), B(2;1) und C(4;17).
Hier stellt man wieder zum allgemeinen Ansatz y = a^2+bx+c drei Gleichungen auf.
A --> 7 = a\cdot (-1)^2 + b\cdot (-1) +c
B --> 1 = a\cdot 2^2 + b \cdot 2 +c
c --> 17 = a \cdot 4^2 + b\cdot 4 + c
Wenn man etwas geübter ist kann man auch gleich die Quadrate ausrechnen und in der üblichen Schreibeweise, dass die Zahlen vor den Unbekannten stehen hinschreiben.
A --> 7 = a - b +c
B --> 1 = 4a+ 2b +c
c --> 17 = 16a+ 4b + c
Hier hat man nicht die schöne Situation wie in den bisherigen Beispielen, dass man sofort c erhält.
Dafür löst man die Gleichung von A nach c auf und setzt den Term, den man erhält in die anderen zwei Gleichungen ein.
Man sagt dafür: Man eliminiert c.
c = 7-a+b in die andern zwei Gleichungen einsetzen:
B --> 1 = 4a + 2b +7-a+b
C --> 17=16a + 4b +7-a+b
Da in den zwei Gleichungen jeweils +c steht, muss man um den Term 7-a+b keine Klammern machen!
Die zwei Gleichungen vereinfacht man nun und löst dann das Gleichungssystem:
-6=3a+3b
10=15a+5b
Dividiert man die erste Gleichung durch 3 und löst sie nach b auf, erhält man b=-2-a.
Dies setzt man in die zweite Gleichung ein: 10=15a +5(-2-a). Die Gleichung nach a aufgelöst ergibt a= 2.
Für b erhält man dann b=-2-2=-4 und für c ergibt sich c = 7-2+(-4)=1.
Die Funktionsgleichung bzw. die Gleichung der Parabel ist y=2x^2-4x+1.

Maehnrot.jpg
Merke:

Ein Gleichungssysten mit drei Gleichungen und drei Unbekannten löst man schrittweise:

1. Man löst eine Gleichung nach einer Unbekannten auf und setzt den Term, den man für diese Unbekannte erhält in die anderen zwei Gleichungen ein.
(Man eliminiert eine Unbekannte.)

2. Nun hat man zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, welches man (mit einem der bekannten Verfahren) löst.

3. Mit den Lösungen, die man gerade erhalten hat, berechnet man den Wert der dritten (eliminierten) Unbekannten.

Wenn du dir die 4 Beispiele oben anschaust, dann siehst du, dass wir jeweils nach diesem Verfahren vorgegangen sind. Bei den ersten drei Beispielen hat man den Wert für c gleich erhalten und man hat sich den 3. Punkt des Merksatzes gespart. Im 4. Beispiel kam man so zur Lösung.

Lustig: Etwas einfacher geht es hier zu. Das lässt sich im Kopf lösen.

In der 8. Klasse hatten wir Gleichungssysteme etwas anders notiert.
(1) x + y = 1
(2) x + 2y = 2
hat die Lösungen x = 0 und y = 1. Die Gleichungen wurden durchnummeriert.

Das macht man jetzt auch.
(1) 6x + y - 3z = 9
(2) 2x + 2y - z = 3
(3) 5x - 4y - 4z = 0
Zur Lösung löst man z.B. die Gleichung (2) nach z auf: z = 2x + 2y - 3 und setzt dies für z in die anderen zwei Gleichungen ein.
(1) 6x + y - 3(2x + 2y -3) = 9
(3) 5x - 4y - 4(2x + 2y -3) = 0
Nun löst man in beiden Gleichungen die Klammern auf uns vereinfacht.
(1) -5y = 0
(3) -3x -12y +12 = 0
Gleichung (1) liefert y = 0. Eingesetzt in (3) ist x = 4.
z ergibt sich dann z = 8 + 0 - 3 = 5. Also hat das Gleichungssystem die Lösungen x = 4, y = 0 und z = 5.

Nuvola apps kig.png   Merke

Welche Unbekannte du zuerst eliminierst bleibt dir überlassen. Tipp: Nimm eine Unbekannte mit Koeffizient 1.

Welches Verfahren (Einsetzverfahren, Gleichsetzverfahren, Additionsverfahren) du dann zum Lösen der zwei Gleichungen mit den verbliebenen zwei Unbekannten wählst bleibt auch dir überlassen. Tipp: Nimm das, bei dem du dich am sichersten fühlt.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 2

Buch S. 95 / 1 (im Kopf lösen!)
Buch S. 96 / 2 a - f

95/1 a) x = 1, y = 2, z = 5
b) x = 2, y = 2, z = 4 oder x = -2, y = 2, z = 0
c) x = 18, y = 16, Z = 66
d) x = 1, y = 4, z = 4
e) x = 5, y = -3, z = 1
f) x = -18, y = -3, z = -4

96/2 a) x = 4, y = 0, z = 5

b) x = 3, y = 4, z = 5
Man erhält die Lösungen, indem man z.B. so vorgeht:
Gleichung (1) nach z auflösen: z=12 - x - y und diesen Term für z in (2) und (3) einsetzen.
(2) x - y + (12 - x - y) = 4
(3) x - y - (12 - x - y) = -6
Zusammenfassen:
(2) -2y = -8
(3) 2x = 6
(2) ergibt y = 4 und (3) ergibt x = 3. Für z erhält man z = 12 - 3 - 4 = 5.

c) x = 1, y = -2, z = 4
Da (2) die einzige Gleichung ist, in der z mit Koeffizient 1 vorkommt, löst man (2) nach z auf: z = 5x - y - 3.
Einsetzen:
(1) 2x - 2y + 3(5x - y - 3) = 18
(3) 12x + 4y - 2(5x - y - 3) = -4
Zusammenfassen:
(1) 17x - 5y = 27
(3) 2x + 6y = - 10
(3) nach x auflösen ergibt x = -5 - 3y.
in (1) einsetzen:
(1) 17(-5 - 3y) - 5y = 27
-56y = 112 ergibt y = -2, x = 1 und z = 4.

d) x = -2, y = -1, z = -3
e) x = 1, y = 1, z = 1

f) x=\frac{2}{3}, y = 1, z = \frac{2}{3}


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 3

Buch S. 96 / 3

a) y = 2x2 - 4x + 2 , das war das 2. Beispiel oben!
b) a = -1, b = 0, c = 4, also y = -x2 + 4
c) a=\frac{1}{4}, b = -\frac{5}{4}, c = 1, also y = 0,25x2 - 1,25x + 1
d) a = -3, b = 0, c = 3, also y = -3x2 + 3

Damit die drei Punkte auf keiner Parabel liegen, muss der Punkt C* auf der Geraden AB liegen.
a) Die Gerade AB hat die Gleichung y = 4x + 2. Zum Beispiel liegt C*(2;10) auf der Geraden.
b) Die Gerade AB hat die Gleichung y = x + 2. Zum Beispiel liegt C*(3;5) auf der Geraden.
c) Die Gerade AB hat die Gleichung y = -0,5x + 0,5. Zum Beispiel liegt C*(0;0,5) auf der Geraden.

d) Die Gerade AB hat die Gleichung y = 3x + 3. Zum Beispiel liegt C*(2;-3) auf der Geraden.


Ausblick: In diesem Video

wird genauso wie bei uns ein Gleichungssystem mit drei Gleichungen und den Unbekannten a, b und c aufgestellt. Doch dann wird diese Gleichungssystem mit dem Additionsverfahren, so wie wir es in der 8. Klasse kennengelernt haben gelöst. Das bietet sich aber auch nur hier an, weil die Gleichungen (1) und (2) sehr, sehr ähnlich sind und man damit die Lösung für b leicht erhält.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 4

Buch S. 96 / 4, 5

96/4
a) allgemeiner Ansatz y= ax^2+bx+c liefert drei Gleichungen
(1) 250 = 400a + 20b + c
(2) 150 = 1600a + 40b + c
(3) 200= 3600a + 60b + c
Löst man (1) nach c auf, so erhält man c = 250 - 400a -20b und setzt den Term für c in die Gleichungen (2) und (3), so erhält man
(2) 150 = 1600a + 40b + 250 -400a -20b
(3) 200 = 3600a + 60b + 250 -400a -20b
Zusammenfassen:
(2) -100 = 1200a + 20b
(3) -50 = 3200a + 40b
Mit dem Additionsverfahren 2·(2)-(3): -150 = -800a liefert a=\frac{150}{800}=\frac{3}{16}
Setzt man a=\frac{3}{16} in (2), so ist -100 = 1200\cdot \frac{3}{16} + 20b
Zusammenfassen: -100 = 225 + 20b ergibt nach b aufgelöst b=-\frac{65}{4}=-16,25.
Für c erhält man c=250 - 400a -20b=250-400\cdot \frac{3}{16} - 20\cdot (-16,25)=500
Also ist die Funktion f:x \rightarrow \frac{3}{16} x^2 - \frac{65}{4}x+500.

b) f(18)=268,25
f(50)= 156,25

c) Hier muss man den Scheitel der Parabel finden. Dies macht man für den Term \frac{3}{16} x^2 - \frac{65}{4}x+500 durch quadratische Ergänzung.
\frac{3}{16} x^2 - \frac{65}{4}x+500=\frac{3}{16}(x^2 - 86\frac{2}{3}x)+500=\frac{3}{16}[(x - 43\frac{1}{3})^2 -(43\frac{1}{3})^2]+500=\frac{3}{16}(x - 43\frac{1}{3})^2-\frac{3}{16}\cdot 43\frac{1}{3})^2+500 = \frac{3}{16}(x - 43\frac{1}{3})^2 + 147\frac{11}{121}
Man liest die Scheitelkoordinaten ab zu x_S=43\frac{1}{3} und y_S=147\frac{11}{121}. Es ist also f(43\frac{1}{3})=147\frac{11}{121}

96/5
a) Es ergibt sich f(x) = 0,05x2 -10,5x + 650 (Tagfunktion)
b) Es ergibt sich f(x) = 0,1875x2 -33,75x + 1750 (Nachtfunktion)
96-5.jpg

Grün ist der Graph der Tagfunktion, rot der Graph der Nachtfunktion. Aus dem Diagramm, aber auch aus der Tabelle sieht man, dass sich nachts deutlich mehr (gut doppelt soviele) Unfälle ereignen wie tags.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 5

Buch S. 96 / 6
Buch S. 97 / 7, 8

96/6
Britta ist 15, Merlin 18 und Tina 17, also kommt Britta nicht in die Disko.

97/7
Eine Tafel Marzipanschokolage kostet 0,90€.
Eine Tafel Nougatschokolade kostet 1,05€.
Eine Tafel Vollmichschokolade kostet 0,50€

97/8

Der grüne Würfel hat eine Masse von 300g, die rote Kugel 200g und die blaue Pyramide 100g.