Grundwissen Mathematik 5. bis 12. Klasse

Grundwissen Mathematik
am bayerischen Gymnasium (G8)
Richard Reindl
2004–2015
Das Grundwissen ist zweispaltig dargestellt,
links die Definitionen, Sätze und Beweise,
rechts Abbildungen und Beispiele.
Es handelt sich nicht nur um einen Grundwissenskatalog, sondern um eine kompakte Darstellung des Stoffes mit den notwendigen Herleitungen und Beweisen. Daher eignet sich der
Text zur Wiederholung und zum Selbststudium des Stoffes.
Die Auswahl des Stoffes beruht auf meinem
Unterricht und den von mir gesetzten Schwerpukten und Vertiefungen, ist also nicht unbedingt eine 1:1-Umsetzung des Lehrplans. Es
wird auch kein Anspruch auf Vollständigkeit
erhoben.
Die aktuellste Version des Werks findet man
unter
http://www.stbit.de
Das Werk steht unter einer Creative Commons
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- Nicht-kommerziell
- Weitergabe unter gleichen Bedingungen
3.0 Unported Lizenz
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2
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Zahlen
Beispiele
Definitionen und Regeln
Zahlenmengen
A = {2, 5, 7, 8, 9}
Eine Zusammenfassung von Zahlen nennt man
eine Zahlenmenge . Die Elemente einer Menge
müssen verschieden sein.
x ist ein Element von A:
x ist kein Element von A:
{2, 2, 2, 3, 4, 4} = {2, 3, 4}
5∈A
1∈
/A
x∈A
x∈
/A
Die Menge ∅ = { }, die kein Element enthält,
heißt leere Menge.
{ } oder ∅
Die Anzahl der Elemente einer Menge nennt man
ihre Mächtigkeit.
|A| = Zahl der Elemente von A
|{2, 4, 5, 6}| = 4
|{ }| = 0, |{0}| = 1
{5, 8, 9} ⊂ {2, 5, 7, 8, 9}
Ist jedes Element von A auch ein Element von B,
dann ist A in B enthalten oder A ist eine Teilmenge von B:
A⊂B
Die leere Menge ist Teilmenge von jeder Menge:
{ } ⊂ A bzw. ∅ ⊂ A (A beliebige Menge)
Jede Menge ist Teilmenge von sich selbst:
A⊂A
{ x | x gerade und 3 ≦ x < 10} = {4, 6, 8}
Mengen kann man durch bestimmte Eigenschaften der Elemente angeben:
{ x | x durch 3 teilbar und 3 ≦ x < 18} =
{3, 6, 9, 12, 15}
{ x | Eigenschaft} = Menge aller Zahlen x
mit der Eigenschaft
{ x | x ∈ N, x durch 3 und durch 5 teilbar} =
{15, 30, 45, ... }
{1, 2, 5, 6, 8, 9} ∩ {2, 4, 6, 7, 9} = {2, 6, 9}
Alle Elemente, die gleichzeitig in zwei Mengen
vorkommen, bilden ihre Durchnittsmenge:
{1, 3, 5, 7} ∩ {2, 4, 6, 8} = { }
A ∩ B = { x | x ∈ A und x ∈ B}
A ∩ { } = { } bzw. A ∩ ∅ = ∅
Eine Zahl gehört zur Vereinigungsmenge von A
und B, wenn sie entweder Element von A oder
Element von B oder Element von beiden Mengen
ist:
A ∪ B = { x | x ∈ A oder x ∈ B}
{1, 2, 5} ∪ {3, 4, 6} = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
A ohne B:
{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} \ {2, 4, 6} = {1, 3, 5, 7}
{1, 2, 5, 6} ∪ {2, 4, 6} = {1, 2, 4, 5, 6}
A ∪ { } = A bzw. A ∪ ∅ = A
{2, 3, 4, 5, 6, 7} \ {2, 4, 6, 8, 10} = {3, 5, 7}
A\B = { x | x ∈ A und x ∈
/ B}
N = Menge der natürlichen Zahlen
N0 = N ∪ {0}
Z = Menge der ganzen Zahlen
Z− = Menge der negativen ganzen Zahlen
A\{ } = A bzw. A\∅ = A
3
N = {1, 2, 3, 4, 5, ... }
N0 = {0, 1, 2, 3, 4, 5, ... }
Z = { ... , −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, ... }
Z− = Z \ N0
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Grundrechenarten
3+5 =
| {z }
Addition, addieren:
8
|{z}
Wert der Summe
Summe
1. Summand + 2. Summand = Wert der Summe
3 plus 5 gleich 8
Subtraktion, subtrahieren:
8−3 =
| {z }
Wert der Differenz
3·5 =
|{z}
Wert des Produkts
5
|{z}
Differenz
Minuend − Subtrahend = Wert der Differenz
8 minus 3 gleich 5
Multiplikation, multiplizieren:
15
|{z}
Produkt
1. Faktor · 2. Faktor = Wert des Produkts
3 mal 5 gleich 15
3·5=5+5+5
a · b = b + b + ... + b
|
{z
}
a Summanden
15
| {z: 3} =
Division, dividieren:
Quotient
Dividend : Divisor = Wert des Quotienten
Teilung:
Messung:
5
|{z}
Wert des Quotienten
15 dividiert durch 3 gleich 5
Aufteilen in gleiche Teile
Wie oft enthalten
24 m : 3
24 m : 3 m
=
=
8m
8
Potenz, potenzieren:
Exponent
Basis
35 =
|{z}
= Wert der Potenz
Potenz
20 = 1, 70 = 1, 00 nicht definiert
a0 = 1 für a > 0
a0 = 1,
a1 = a,
0n = 0
Wert der Potenz
3 hoch 5 gleich 243
35 = 3 · 3 · 3 · 3 · 3
an = a
| · a · a{z· ... · a}
n Faktoren
Definition:
243
|{z}
90 = 1,
1n = 1
61 = 6,
07 = 0
18 = 1
a2 = a · a heißt auch a Quadrat“.
”
Quadratzahlen von 02 bis 202 , zusätzlich 252 auswendig!
02 = 0, 12 = 1, 22 = 4, 32 = 9, 42 = 16, 52 = 25,
62 = 36, 72 = 49, 82 = 64, 92 = 81, 102 = 100,
112 = 121, 122 = 144, 132 = 169, 142 = 196,
152 = 225, 162 = 256, 172 = 289, 182 = 324,
192 = 361, 202 = 400, 252 = 625
Zweierpotenzen von 20 bis 210 auswendig!
20 = 1, 21 = 2, 22 = 4, 23 = 8, 24 = 16, 25 = 32,
26 = 64, 27 = 128, 28 = 256, 29 = 512, 210 = 1024
Zehnerpotenzen:
100 = 1, 101 = 10, 102 = 100
103 = 1000, 7 · 105 = 700 000
n
10 = 1 mit n Nullen
106 = Million
1018 = Trillion
109 = Milliarde
1024 = Quadrillion
1012 = Billion
1030 = Quintillion
1015 = Billiarde
1036 = Sextillion
68047 = 6 · 104 + 8 · 103 + 0 · 102 + 4 · 101 + 7 · 100
Jede Zahl des Dezimalsystems (Zehnersystems)
kann als Summe von Zehnerpotenzen geschrieben
werden.
4
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Rechenregeln
Reihenfolge einer Rechnung:
28 − 3 · (7 − 5)3 = 28 − 3 · 23 =
= 28 − 3 · 8 = 28 − 24 = 4
Klammer – Potenz – Punkt – Strich
Klammern von innen nach außen!
a−0=a
a:a=1
a+0=a
a−a=0
a·1=a
a·0 =0
3
3
a:1=a
0:a=0
= [14 − 8] = 63 = 216
7 + 0 = 7 − 0 = 7,
a : 0 und 0 : 0 sind nicht definiert!!
3 + 7 = 7 + 3 = 10,
(Kommutativgesetze, KG)
a + b + c = (a + b) + c = a + (b + c)
a · b · c = (a · b) · c = a · (b · c)
7:7=1
3 · 7 = 7 · 3 = 21
2 + 5 + 7 = (2 + 5) +7 = 2 + (5 + 7) = 14
| {z }
| {z }
7
(Assoziativgesetze, AG)
12
8 · (7 + 3) = 8 · 10 = 80 oder
8 · (7 + 3) = 8 · 7 + 8 · 3 = 56 + 24 = 80
a · (b + c) = a · b + a · c
a · (b − c) = a · b − a · c
7 · 998 = 7 · (1000 − 2) = 7 · 1000 − 7 · 2 =
= 7000 − 14 = 6986
(Distributivgesetze, DG)
x+a = b ⇒ x = b−a
x−a = b ⇒ x = b+a
7·1 =7 :1 =7
7 − 7 = 0 · 7 = 0 : 7 = 0,
a·b=b·a
a+b=b+a
3
[(15 − 8) · 2 − 2 · 4] = [7 · 2 − 2 · 4] =
x + 8 = 15 ⇒ x = 15 − 8 = 7
x − 8 = 15 ⇒ x = 15 + 8 = 23
x · 8 = 72 ⇒ x = 72 : 8 = 9
x : 8 = 7 ⇒ x = 7 · 8 = 56
x·a= b ⇒ x =b:a
x:a= b ⇒ x =b·a
Der kleine Gauß:
1 + 2 + 3 + 4 + ... 100 = 100 · 101 : 2 = 5050
1 + 2 + 3 + ... + n = n · (n + 1) : 2
Teilbarkeit
V(6) = {6, 12, 18, 24, ... }
Die Vielfachenmenge einer Zahl a ist die Menge
aller Vielfachen von a.
V(2) = Menge der geraden Zahlen
V(a) = { x | x = n · a mit n ∈ N}
a ist Teiler von b, wenn b ein Vielfaches von a ist.
a|b
⇐⇒
a | b und a | c
a | b und b | c
=⇒
=⇒
b = n · a mit
a | (b + c) und
a|c
n∈N
a | (b − c)
Für jede natürliche Zahl a gilt 1 | a und a | a.
T(a) = { x | x | a} = { x | x Teiler von a}
Für a ≧ 2 ist |T(a)| ≧ 2
⇐⇒
9 | 99 und 9 | 27 =⇒ 9 | (99 + 27) = 126
12 | 60 und 60 | 180 =⇒ 12 | 180
T(6) = {1, 2, 3, 6}
1, 2, 3, 4, 6
T(48) =
48, 24, 16, 12, 8
1, 2, 3, 4, 6
T(36) =
36, 18, 12, 9
Die Teilermenge einer Zahl a ist die Menge aller
Teiler von a.
|T(a)| ist ungerade
7 | 35 weil 35 = 5 · 7
a ist Quadratzahl
|T(6)| = 4, |T(48)| = 10, |T(36)| = 9
Teilung mit Rest:
d : s = eRr
⇐⇒
d = s · e + r mit r < s
30 : 7 = 4 R 2, weil 30 = 7 · 4 + 2
5
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Teilbarkeitsregeln
x ist durch 4 teilbar, wenn die aus den letzten
beiden Ziffern von x gebildete Zahl durch 4 teilbar
oder 00 ist.
2 | 1378, da 2 | 8, 2 ∤ 4441, da 2 ∤ 1
2 | 13330
4 | 1324, da 4 | 24, 4 ∤ 4442, da 4 ∤ 42
4 | 13300
x ist durch 5 teilbar, wenn die letzte Ziffer von x
5 oder 0 ist.
5 | 1375, 5 | 9970, 5 ∤ 5058
x ist durch 25 teilbar, wenn die letzten beiden
Ziffer von x 00, 25, 50 oder 75 sind.
25 | 1375, 25 | 9900, 25 ∤ 5055
Die Quersumme (QS) einer Zahl ist die Summe
ihrer Ziffern.
QS(73024) = 7 + 3 + 0 + 2 + 4 = 16
Eine Zahl ist durch 3 teilbar, wenn ihre Quersumme durch 3 teilbar ist.
3 | 1377 weil QS(1377) = 18 und 3 | 18
3 ∤ 505 weil QS(505) = 10 und 3 ∤ 10
9 | 5877 weil QS(5877) = 27 und 9 | 27
9 ∤ 987 weil QS(987) = 24 und 9 ∤ 24
x ist durch 2 teilbar, wenn die letzte Ziffer von x
durch 2 teilbar oder 0 ist.
Eine Zahl ist durch 9 teilbar, wenn ihre Quersumme durch 9 teilbar ist.
Primzahlen
T(7) = {1, 7} =⇒ 7 ist prim
T(87) = {1, 3, 29, 87} =⇒ 87 ist nicht prim
Eine natürliche Zahl heißt Primzahl oder kurz
prim, wenn ihre Teilermenge genau zwei Elemente enthält, d.h. wenn sie nur durch eins und sich
selbst ohne Rest teilbar ist.
Menge der Primzahlen:
x prim ⇐⇒ |T(x)| = 2
P = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47,
53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, ... }
Es gibt unendlich viele Primzahlen.
12 = 2 · 2 · 3 = 22 · 3, 51 = 3 · 17
81 = 34 , 1001 = 7 · 11 · 13
2102100 = 22 · 3 · 52 · 72 · 11 · 13
Jede natürliche Zahl größer als eins lässt sich
eindeutig als Produkt von Primzahlen schreiben
(Primfaktorenzerlegung).
Menge der gemeinsamen Teiler von a und b:
T(a, b) = T(a) ∩ T(b)
T(12, 18) =
Das größte Element von T(a, b) ist der größte
gemeinsame Teiler (ggT) von a und b.
1, 2, 3
12, 6, 4
= {1, 2, 3, 6 }
36 = 2 · 2 · 3 · 3
54 = 2 · 3 · 3 · 3
Praktisch findet man den ggT(a, b) mit Hilfe der
Primfaktorenzerlegung von a und b oder mit der
Kettendivision:
Man teilt die größere durch die kleinere Zahl. Man
teilt immer wieder den Divisor durch den Rest,
bis der Rest null herauskommt. Der letzte Divisor
ist der gesuchte ggT.
)
∩
=⇒
1, 2, 3
18, 9, 6
=
ggT(12, 18) = 6
ggT(36, 54) = 2 · 3 · 3 = 18
126 : 70 = 1 R 56
70 : 56 = 1 R 14
56 : 14 = 4 R 0
=⇒
ggT(126, 70) = 14
Menge der gemeinsamen Vielfachen von a und b:
V(a, b) = V(a) ∩ V(b)
V(6, 8) = {6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, ...}∩
∩ {8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, ...} = {24, 48, ...}
Das kleinste Element von V(a, b) ist das kleinste
gemeinsame Vielfache (kgV) von a und b.
=⇒
6
kgV(6, 8) = 24
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Praktisch findet man das kgV(a, b) mit Hilfe der
Primfaktorenzerlegung von a und b oder mit folgendem Zusammenhang, wobei man den ggT(a,b)
mit der Kettendivision ermittelt:
)
36 = 2 · 2 · 3 · 3
54 = 2 · 3 · 3 · 3
kgV(36, 54) = 2| · 2 ·{z
3 · 3 · 3}
108
kgV(36, 54) = |36{z
· 54} : ggT(36, 54) = 108
|
{z
}
ggT(a, b) · kgV(a, b) = a · b
1944
Ganze Zahlen
18
Die Spiegelzahl von a ist −a, die Spiegelzahl von
−a ist a: −(−a) = a.
a > 0 =⇒ −a < 0
a < 0 =⇒ −a > 0
b < a, wenn b auf der Zahlengeraden links von a.
Der Betrag einer Zahl ist ihr Abstand vom Nullpunkt auf der Zahlengeraden:
(
+a wenn a ≧ 0
|a| =
−a wenn a < 0
|a| = | − a|
(−1)n =
(
2
3
4
5
(−3) < 2
|6| = 6
6
7
8
2<3
| − 6| = −(−6) = 6
5 + (−12) = 5 − 12 = −(12 − 5) = −7
−5 + (−12) = −5 − 12 = −(5 + 12) = −17
3 · (−5) = (−3) · 5 = −15
(−3) · (−5) = +15 = 15
30 : (−5) = (−30) : 5 = −6
(−30) : (−5) = +6 = 6
3+(−5) = (−5)+3
(−9)+(−7) = (−7)+(−9)
(−4) + [(−7) + 3] = [(−4) + (−7)] +3
{z
}
| {z } |
+(+a) = +a = a
+ (−a) = −a
−(−a) = +a = a
− (+a) = −a
a − b = −(b − a)
−a − b = −(a + b)
a · (−b) = (−a) · b = −(a · b)
(−a) · (−b) = a · b
a : (−b) = (−a) : b = −(a : b)
(−a) : (−b) = a : b
Kommutativgesetze
Assoziativgesetze
Distributivgesetz
(−1)2 = 1,
1
− (−6) = +6 = 6
(−7) < (−3)
|a| ≧ 0
−b
a
−(+3) = −3
Rechenregeln für ganze Zahlen:
(−1)1 = −1,
−a
b
−8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0
|
{z
(−4)
|
}
−(4+4)=−8
−(4+7)=−11
{z
−(11−3)=−8
}
(−4) · [(−7) + 3] = (−4) · (−7) + (−4) · 3
| {z } |
{z
} | {z }
|
(−1)3 = −1
{z
(−4)
4·4=16
}
|
+28
{z
(−12)
28−12=16
}
(−1)44 = 1, (−1)17 = −1, (−1)100 = 1
(−2)2 = 4, (−2)3 = −8, (−2)9 = −512
1
für gerades n
−1 für ungerades n
Abzählen von Möglichkeiten
Platz 1 kann mit z1 , Platz 2 mit z2 , ... und Platz n
mit zn verschiedenen Gegenständen besetzt werden. Dann können alle n Plätze auf
3 Hüte, 7 T-Shirts und 4 Hosen kann man auf
z1 · z2 · z3 · ... · zn
verschiedene Arten miteinander kombinieren.
3 · 7 · 4 = 84
verschiedene Arten belegt werden.
n verschiedene Gegenstände kann man auf
n! = 1 · 2 · 3 · 4 · ... · n
5 Personen kann man auf
5! = 1 · 2 · 3 · 4 · 5 = 120
(n-Fakultät)
verschiedene Arten auf n Plätze verteilen.
verschiedene Arten in einer Reihe aufstellen.
7
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Zahlensysteme
∗
Die Basis des Zehnersystems (Dezimalsystems)
ist 10, die Stufenzahlen sind die Zehnerpotenzen,
es gibt zehn Ziffern.
Stufenzahlen: 100 = 1, 101 = 10, 102 = 100, ...
Ziffern:
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
3784 = 3 · |{z}
103 +7 · |{z}
102 +8 · |{z}
101 +4 · |{z}
100
Jede natürliche Zahl b ≧ 2 kann als Basis eines
Zahlensystems verwendet werden. Die Stufenzahlen sind dann die Potenzen von b, es gibt b Ziffern
von 0 bis b − 1.
Stufenzahlen: b0 = 1, b1 = b, b2 , b3 , b4, ...
Ziffern:
0, 1, 2, ... b − 1
(2905)b = 2 · b3 + 9 · b2 + 0 · b1 + 5 · b0
1000
100
10
1
3007004 = 3 · |{z}
106 +7 · |{z}
103 +4 · |{z}
100
1000000
1000
1
LOL = (101)2 = 1 · |{z}
22 +0 · |{z}
21 +1 · |{z}
20 = 5
4
dual
dezimal
L
1
LO
2
2
LL
3
LOO
4
1
LOL
5
LLO
6
dual
LOOO LOOL LOLO LOLL LLOO
dezimal
8
9
10
11
12
LOLL = 8 + 0 + 2 + 1 = 11
LOLLOLL = 64 + 0 + 16 + 8 + 0 + 2 + 1 = 91
Die Basis des Zweiersystems (Dualsystems) ist 2,
die Stufenzahlen sind die Zweierpotenzen, es gibt
nur zwei Ziffern (0, 1).
Stufenzahlen: 20 = 1, 21 = 2, 22 = 4, ...
Ziffern:
0, 1 oder O, L
Die Basis des Sechzehnersystems (Hexadezimalsystems) ist 16, die Stufenzahlen sind die Potenzen von 16, es gibt 16 Ziffern.
Stufenzahlen: 160 = 1, 161 = 16, 162 = 256, ...
Ziffern: 0 bis 9 A B C D E
F
10 11 12 13 14 15
In der Computerliteratur werden Hexzahlen oft
mit einem Dollarzeichen geschrieben:
(A0B)16 = $A0B
$FF = 15 · |{z}
161 +15 · |{z}
160 = 255
16
2
1
1
$100 = 1 · |{z}
16 +0 · |{z}
16 +0 · |{z}
160 = 256
256
16
1
$AFF = 10 · |{z}
162 +15 · |{z}
161 +15 · |{z}
160 = 2815
256
16
1
Größen
Vorsilben
Name
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
Dezi
Zenti
Milli
Mikro
Nano
Piko
Femto
Abk.
h
k
M
G
T
d
c
m
µ
n
p
f
s
Sekunde
Länge
Wert
·100
·1000
·106
·109
·1012
: 10
: 100
: 1000
: 106
: 109
: 1012
: 1015
Benennungen
m
g
Meter Gramm
min
Minute
€
Euro
1 km = 1000 m
1 m = 10 dm = 100 cm = 1000 mm
1 mm = 1000 µm = 106 nm
1 µm = 1 µ = 1000 nm = 106 pm
1 nm = 1000 pm
Zeit
1 h = 60 min = 3600 s
1 min = 60 s
1 s = 1000 ms = 106 µs
1 ms = 1000 µs = 106 ns
Ct
Cent
h
Stunde
1 µs = 1000 ns = 106 ps
l
Liter
d
Tag
LLL
7
1 ns = 1000 ps
a
Jahr
8
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Bei der Kommaschreibweise von Größen bezieht
sich die Einheit (Benennung) auf die Stelle vor
dem Komma:
Kommaschreibweise
1 t = 1 Tonne = 1000 kg = 106 g
1 Ztr = 1 Zentner = 50 kg
Masse
1 kg = 1000 g = 106 mg
gemischte Schreibweise
z
}|
{
}|
{
z
1234,56789 m = 1 km 234 m 567 mm 890 µ
Kommaschreibweise
1 g = 1000 mg = 106 µg
1 mg = 1000 µg = 106 ng
gemischte Schreibweise
z
}|
{
}|
{
z
1234,56789 kg = 1 t 234 kg 567 g 890 mg
1 µg = 1000 ng = 106 pg
1 ng = 1000 pg
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Elemente der Geometrie
Die Geometrie handelt von Punkten (keine Ausdehnung, nulldimensional), Linien (eindimensional), Flächen (zweidimensional) und räumlichen
Körpern (dreidimensional). Eine Gerade ist eine
nach beiden Seiten unendlich lange, gerade Linie.
h
g = AB
B
A
Durch zwei Punkte A und B läßt sich
genau eine Gerade g = AB zeichnen.
C
[CD]
D
Sind C und D zwei Punkte, dann ist die Strecke
[CD] der Teil der Geraden CD zwischen den
Punkten C und D. Die Randpunkte C und D
gehören zur Strecke [CD].
Zwei Geraden heißen parallel, wenn sie
keinen Schnittpunkt haben (g und h
sind parallel).
CD = Länge der Strecke [CD]
Geraden und Strecken sind Punktmengen.
Geometrische Figuren
C
Drei Punkte A, B und C, die nicht auf einer Geraden liegen, bilden das Dreieck ABC (∆ ABC).
A, B und C sind die Ecken, [AB], [BC] und [CA]
die Seiten des Dreiecks. Ein Dreieck hat also drei
Ecken und drei Seiten. Ein Viereck hat vier Ecken
und vier Seiten usw.
Ein Rechteck ist ein Viereck, in dem je zwei
benachbarte Seiten einen rechten Winkel bilden
(senkrecht aufeinander stehen).
Zwei gegenüberliegende Seiten
Rechteck sind gleich lang.
B
A
Dreieck
D
C
AB = CD
BC = DA
B
A
im
Quadrat
Rechteck
Ein Rechteck mit vier gleich langen Seiten heißt
Quadrat.
Ist MQ die Menge aller Quadrate, MR die Menge
aller Rechtecke und MV die Menge aller Vierecke,
dann gilt
MQ j MR j MV
oder in Worten: Jedes Quadrat ist ein Rechteck
und jedes Rechteck ist ein Viereck.
Viereck
Parallelogramm:
Je zwei gegenüberliegende
Seiten sind
parallel
9
Raute:
Alle vier Seiten
sind gleich lang
Trapez:
Ein gegenüberliegendes Seitenpaar
ist parallel
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 5
Definitionen und Regeln
Beispiele
Koordinaten
Das (kartesische) Koordinatensystem besteht aus
zwei zueinander senkrechten Achsen. Die waagrechte Achse heißt Abszissenachse oder kurz Abszisse (wird oft auch als x-Achse bezeichnet), die
senkrechte Achse ist die Ordinatenachse, kurz Ordinate (oder oft y-Achse). Der Schnittpunkt der
beiden Achsen ist der Ursprung des Koordinatensystems. Ein Punkt wird durch seinen Namen und
die beiden Koordinaten, die Abszisse und die Ordinate, angegeben:
Das folgende Koordinatensystem hat gleiche Einheiten auf beiden Achsen.
y
7
A(7|6)
6
5
B(−6|4)
4
3
2
1
0
−7 −6 −5 −4 −3 −2 −1
−1
−8
A(Abszisse | Ordinate)
−2
Man findet den Punkt, wenn man vom Ursprung
aus um den Wert der Abszisse nach rechts und
um den Wert der Ordinate nach oben geht. Die
Einheiten des Koordinatensystems geben an, wie
weit die Eins auf den Achsen vom Ursprung entfernt ist. Die Einheiten auf der Abszisse und der
Ordinaten können verschieden sein.
C(−8| − 3)
−4
3
1
2
4
5
6
7
8
x
−3
−5
−6
D(3| − 6)
−7
Der Punkt A(6|7) hat die Abszisse 7 und die Ordinate 6.
Flächenmaße
1 a = 1 Ar = 100 m2
Ein Quadrat mit der Seitenlänge 1 m hat den
Flächeninhalt (kurz: die Fläche“) 1 m2 .
”
1 ha = 1 Hektar = 100 a = 10 000 m2
1 km2 = 100 ha = 10 000 a = 106 m2
1 m2 = 100 dm2 = 10 000 cm2 = 106 mm2
1 m2
1 dm2 = 100 cm2 = 10 000 mm2
1m
1 cm2 = 100 mm2
1 mm2 = (1000 µ)2 = 106 µ2
1m
1 µ2 = (1000 nm)2 = 106 nm2
1 nm2 = (1000 pm)2 = 106 pm2
Ein Rechteck mit den Seitenlängen a und b hat
die Fläche
A =a·b
1,23456789 km2 = 1 km2 23 ha 45 a 67 m2 89 dm2
Ein Quadrat mit der Seitenlänge a hat die Fläche
A=a
123,456789 m2 = 1 a 23 m2 45 dm2 67 cm2 89 mm2
2
0,123456789 m2 = 12 dm2 34 cm2 56 mm2 789000 µ2
0,0123456789 cm2 = 1 mm2 234567 µ2 890000 nm2
1a
10 m
10 m
1 ha
12 km2
90 |{z}
34 |{z}
56 |{z}
78 |{z}
0, |{z}
12 |{z}
100 m
ha
a
m2
dm2 cm2 mm2
2
0, 123456
| {z } 456789
| {z } mm
| {z } 789123
µ2
100 m
10
nm2
pm2
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Zahlen
Beispiele
Definitionen und Regeln
Brüche und Bruchteile
Teilt man die Zahl b in a gleich große Teile, dann
hat ein Teil die Größe a : b. Diesen Quotienten
schreibt man auch in Form eines Bruches:
1:3=
0
1
,
3
5:7=
5
,
7
1
18
= 18 : 6 = 3
6
1
=1:3
3
0
a
=a:b
b
2
2
2
1
=2:3=2·
3
3
Zähler
= Wert des Bruches
Nenner
1
a
1
= a : b = (a · 1) : b = a · (1 : b) = a ·
b
b
1
a·c
a
von c = a · von c = a · c : b = (a · c) : b =
b
b
b
a
a·c
a
von c = · c =
b
b
b
Da man durch null nicht teilen darf, darf auch der
Nenner eines Bruches niemals null sein!
a
= 1,
a
a
= a,
1
0
=0
a
Wird das Ganze in b gleiche Teile zerlegt, dann
a
bilden a dieser Teile den Bruchteil vom Ganzen
b
a
(das -fache des Ganzen).
b
5
14
2
14
1
14
1
1
a
= · a = von a
b
b
b
2
1
5
1
=2· ,
=5·
14
14
14
14
1
28
3
von 28 = 3 · von 28 = 3 ·
= 3 · 4 = 12
7
7
7
3
3·8
24
von 8 =
=
7
7
7
3 · 150 cm
450 cm
3
von 1,5 m =
=
= 45 cm
10
10
10
7
8
0
= 1,
= 8,
=0
7
1
13
Das Ganze (17 Teile)
8
vom Ganzen
17
Die Menge der rationalen Zahlen
0
= 0,
1
N = {1, 2, 3, 4, ...} (natürliche Zahlen)
Z = {−3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, ...} (ganze Zahlen)
−3
= −3,
1
16
= −8,
−2
−12
=3
−4
Jede ganze Zahl z kan man als Bruch schreiben,
z
z.B. z = . Die Menge Z der ganzen Zahlen ist
1
also in der Menge Q der rationalen Zahlen enthalten (Z ist eine Teilmenge von Q):
Mit Q bezeichnet man die Menge aller Brüche,
wobei die Zähler eine beliebige ganze Zahl und die
Nenner eine ganze Zahl außer null sein dürfen:
o
na
a ∈ Z und b ∈ Z und b 6= 0
Q=
b
NjZjQ
Q heißt auch Menge der rationalen Zahlen.
11
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Erweitern und Vergleichen
3
3·5
15
3 · (−7)
−21
=
=
=
=
7
7·5
35
7 · (−7)
−49
Ein Bruch ändert seinen Wert nicht, wenn Zähler
und Nenner mit der gleichen Zahl multipliziert
werden (Erweitern):
5
auf den Nenner 108 zu bringen,
Um den Bruch 12
muss er mit 108 : 12 = 9 erweitert werden:
a·c
a
=
b
b·c
5
5·9
45
=
=
12
12 · 9
108
Gleichnamigmachen von
Zwei Brüche heißen gleichnamig, wenn sie den
gleichen Nenner besitzen. Zwei Brüche ab und
c
d kann man durch geschicktes Erweitern immer
gleichnamig machen:
a·d
a
=
,
b
b·d
3
3 · 11
33
=
=
,
7
7 · 11
77
c
c·b
=
d
b·d
3
7
und
4
11 :
4
4·7
28
=
=
11
11 · 7
77
Gleichnamigmachen von
19 13
36 , 24
und
29
54 :
b · d ist ein gemeinsamer Nenner der Brüche ab
und dc (ein gemeinsames Vielfaches der Nenner b
und d).
36 = 2 · 2 · 3 · 3, 24 = 2 · 2 · 2 · 3, 54 = 2 · 3 · 3 · 3
Der kleinste gemeinsame Nenner (Hauptnenner, HN) von mehreren Brüchen ist das
kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) ihrer
Nennern.
Die Erweiterungsfaktoren findet man am schnellsten, wenn man aus der Primfaktorzerlegung des
Hauptnenners die Primfaktoren des jeweiligen
Nenners streicht.
HN = 2 · 2 · 2 · 3 · 3 · 3 = 216
19 · 6
114
19
=
=
,
36
36 · 6
216
29
29 · 4
116
=
=
54
54 · 4
216
7
9
<
, weil 7 < 9,
13
13
In diesem Teil über das Vergleichen von Brüchen
sind alle Zähler und Nenner positiv!
Für gleichnamige Brüche gilt:
a
c
<
b
b
⇐⇒
a<c
19
29
13
<
<
, weil 114 < 116 < 117
36
54
24
|{z}
|{z}
|{z}
114
116
117
216
216
216
8
6
12
<
<
, weil 74 > 69 > 68
37
23
17
|{z}
|{z}
|{z}
Für Brüche mit gleichem Zähler gilt:
⇐⇒
11
11
>
, weil 17 < 19
17
19
Nichtgleichnamige Brüche vergleicht man, indem
man sie gleichnamig macht oder auf den gleichen
Zähler bringt (je nachdem, was einfacher ist):
Wenn man 5 kg Zucker auf 7 Kinder verteilt
erhält jedes Kind weniger als wenn man 5 kg
Zucker auf 6 Kinder verteilt, d.h. 57 < 65 .
a
a
<
b
c
13
13 · 9
117
=
=
24
24 · 9
216
24
74
b>c
24
69
24
68
Kürzen
48
48 : 8
6
=
=
56
56 : 8
7
2·2·3·7
3
84
=
=
112
2·2·2·2·7
4
24
2·2·2·3·1
1
=
=
72
2·2·2·3·3
3
2 · 7 · 13
2
182
=
=
1001
7 · 11 · 13
11
Ein Bruch ändert seinen Wert nicht, wenn man
Zähler und Nenner durch die gleiche Zahl dividiert (Kürzen):
a:c
a
=
b
b:c
Zum Kürzen zerlegt man den Zähler und den
Nenner in Primfaktoren und streicht die gemeinsamen Faktoren.
12
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ein Bruch heißt vollständig gekürzt, wenn Zähler
und Nenner keinen gemeinsamen Primfaktor
mehr enthalten.
Die vollständig gekürzte Version eines Bruches ist
seine Grundform .
Produkte im Zähler und im Nenner vor dem
Kürzen auf keinen Fall ausmultiplizieren, sondern
gleich weiter zerlegen:
Gelingt die Primfaktorenzerlegung nicht, dann
bestimmt man den ggT aus Zähler und Nenner
mit der Kettendivision:
Die Primfaktoren des Zählers und Nenners von
5063
5893 sind nicht leicht zu finden:
2 · 17 · 2 · 2 · 3 · 3
4
34 · 36
=
=
54 · 51
2 · 3 · 3 · 3 · 3 · 17
9
5893 : 5063 = 1 R 830
a : ggT(a, b)
a
=
b
b : ggT(a, b)
|
{z
}
5063 : 830 = 6 R 83
830 : 83 = 10 R 0
=⇒
ggT(5893, 5063) = 83
vollst. gekürzt
5063 : 83
61
5063
=
=
5893
5893 : 83
71
Nebenbei hat man auch die Primfaktoren von
Zähler und Nenner gefunden:
5063 = 61 · 83,
5893 = 71 · 83
Rechnen mit Brüchen
3 4
3+4
7
+ =
=
8 8
8
8
7
3−7
−4
4
3
−
=
=
=−
11 11
11
11
11
5 · 5 − 11 · 2
3
1
5 11
−
=
=
=
6 15
30
30
10
1 1
3−2
1
1 1
7−8
1
− =
= ,
− =
=−
2 3
6
6
8 7
56
56
11 11 13
11 · 6 − 11 · 9 + 13 · 4
19
−
+
=
=
24 16 36
2·2·2·2·3·3
144
Gleichnamige Brüche, Addition und Subtraktion:
a c
a+c
+ =
b
b
b
a c
a−c
− =
b
b
b
Ungleichnamige Brüche müssen vor
dem Addieren bzw. Subtrahieren
gleichnamig gemacht werden!
Wenn man den HN nicht findet, nimmt man das
Produkt der Nenner als gemeinsamen Nenner:
3·7+2·8
37
3 2
+ =
=
8 7
8·7
56
c
a·d+c·b
a
+ =
b
d
b·d
Oft ist es vorteilhaft, vor dem Addieren bzw. Subtrahieren zu kürzen. Wenn die Nenner schon fast
gleichnamig sind, ist es besser, nicht zu kürzen.
9
2 1
4−3
1
28
−
= − =
=
42 18
3 2
6
6
49
24
49 · 2 + 24
122
61
+
=
=
=
56 112
112
112
56
Multiplikation von Brüchen:
3·7
3
3
·7 =
=
28
28
4
a·c
a c
· =
b d
b·d
a 2
b
a·c
a
·c=
b
b
3 11
3 · 11
33
·
=
=
8 5
8·5
40
16 · 33
2 · 2 · 2 · 2 · 3 · 11
2
16 33
·
=
=
=
121 24
121 · 24
11 · 11 · 2 · 2 · 2 · 3
11
4
4
2
2
16
= 4 =
3
3
81
3
33
27
3
=− 3 =−
−
5
5
125
a a
a·a
a2
· =
= 2
b b
b·b
b
a n
n
a
= n
b
b
=
13
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
a
a b
b
· = 1 =⇒
=1:
b a
a
b
a
b
heißt Kehrwert von .
a
b
a c
a
c a d
a·d
= · =
: = · 1:
b d
b
d
b c
b·c
8
3
ist der Kehrwert von .
8
3
1
ist der Kehrwert von 7.
7
1
5 ist der Kehrwert von .
5
11 3
33
24
24
4
11 7
: =
· =
,
:6=
=
8 3
8 7
56
7
7·6
7
35 77
35 78
5 · 7 · 2 · 3 · 13
15
:
=
·
=
=
52 78
52 77
2 · 2 · 13 · 7 · 11
22
1
1 9
9
1
: = − · = − = −3
−
3
9
3 1
3
Durch einen Bruch wird dividiert, indem man mit
seinem Kehrwert multipliziert:
a d
a·d
a c
: = · =
b d
b c
b·c
a
a
:c=
b
b·c
Einteilung der positiven Brüche
Stammbrüche:
Zähler = 1
Echte Brüche:
Zähler < Nenner
Unechte Brüche:
Zähler > Nenner
Scheinbrüche:
Zähler = n · Nenner
mit n ∈ N
Stammbrüche:
echte Brüche:
unechte Brüche:
Scheinbrüche:
Stammbrüche sind echte Brüche.
Echte Brüche sind kleiner als 1.
Unechte Brüche sind größer als 1.
Scheinbrüche sind natürliche Zahlen.
1 1 1 1
, , , , ...
2 3 4 5
1 7 13 12
, ,
,
, ...
2 8 444 50
3 9 133 73
, ,
,
, ...
2 8 44 50
3
9
56
1000
= 1, = 3,
= 8,
= 20
3
3
7
50
Gemischte Zahlen
Um die Größe eines unechten Bruches besser zu
erkennen, schreibt man ihn als gemischte Zahl.
b
Die gemischte Zahl a ist eine Abkürzung für
c
b
die Summe a + .
c
b
b
a·c b
a·c+b
a =a+ =
+ =
c
c
c
c
c
z : n = gRr
=⇒
r
z
=g
n
n
Beim Addieren und Subtrahieren gemischter
Zahlen werden die Ganzen und die Bruchteile
getrennt berechnet.
3
3
5·7+3
38
=5+ =
=
7
7
7
7
68
soll als gemischte Zahl geschrieben werden:
9
5
68 : 9 = 7 R 5
=⇒
68 = 7 · 9 + 5
=⇒
7·9+5
7·9 5
5
5
68
=
=
+ =7+ =7
9
9
9
9
9
9
22
4
7
2
2 4
= 11
+
= 12
5 + 6 = (5 + 6) +
3
5
3 5
15
15
16 − 15
3
1
4
4 3
=2
−
=2
8 −6 = (8−6)+
5
4
5 4
20
20
Beachte bei dem folgenden Beispiel den Trick
4
4
20
4
24
=7+1+
=7+
+
=7 :
20
20
20 20
20
3
4
15
24
15
9
1
−4
=7
−4
=3
8 −4 =8
5
4
20
20
20
20
20
b
b
ist nicht −a + , sondern
c
c
b
a·c+b
b
b
−a = − a +
=−
= −a −
c
c
c
c
8
Vorsicht: −a
4
Zum Multiplizieren und Dividieren verwandelt
man gemischte Zahlen in unechte Brüche.
14
17
30 45
30 · 28
8
2
2
:1
=
:
=
= =2
7
28
7 28
7 · 45
3
3
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Doppelbrüche
3
8
5
21
Bei Doppelbrüchen schreibt man den Hauptbruchstrich auf Höhe des Gleichheitszeichens.
a
a c
a·d
Hauptbruchstrich −→ bc = : =
b d
b·c
d
4
7 = 3 · 4 · 21 · 16 = 8 = 1,6
9
8·7·5·9
5
·
16
·
3 5
1
9 − 10
−
−
4 6 = 12 = 12 = − 7 · 3 = − 7
7 49
7·8
8
12 · 8
32
:
3 8
49 · 3
7·3
Die Zähler der Teilbrüche bleiben auf der gleichen Seite des Hauptbruchstrichs, die Nenner der
Teilbrüche springen über den Hauptbruchstrich.
Dezimalbrüche
1
1
1
, 0,01 =
, 0,001 =
10
100
1000
1
1
1
1
0,125 =
0,2 = , 0,5 = , 0,25 =
5
2
4
8
3
3
1
5
1
0,75 = , 1,5 = = 1 , 1,25 = = 1
4
2
2
4
4
100001
123
, 10,0001 =
0,123 =
1000
10000
1230000
123
0,1230000 =
=
= 0,123
10000000
1000
Definition der Dezimalbrüche
0,1 =
Das Komma in einem Dezimalbruch trennt die
Einerstelle von der Zehntelstelle.
4
5
6
+
+
=
10 100 1000
456
23456
57
2932
= 23
=
= 23
=
1000
1000
125
125
23,456 = 2 · 10 + 3 · 1 +
Schlussnullen nach dem Komma darf man bei einem Dezimalbruch beliebig anhängen oder streichen (Erweitern oder Kürzen).
Rechnen mit Dezimalbrüchen
1,2345 + 2,3 = 1,2345 + 2,3000 = 3,5345
Zum Addieren und Subtrahieren werden Dezimalbrüche durch das Anhängen von Schlussnullen
gleichnamig gemacht.
1 − 0,987 = 1,000 − 0,987 = 0,013
1,2345 · 1000 = 1234,5
Dezimalbruch · 10n :
Komma um n Stellen nach rechts
1,2345 : 1000 = 0,0012345
0,000123 · 107 = 1230
Dezimalbruch : 10n :
Komma um n Stellen nach links
123,45 : 106 = 0,00012345
Multiplikation zweier Dezimalbrüche mit d1
und d2 Dezimalen:
0,006 · 2,23 = 6 · 223 : 100000 = 1338 : 100000 =
= 0,01338
• Beide Kommas weglassen
3,64 · 2,5 = 364 · 25 : 1000 = 9100 : 1000 =
= 9,100 = 9,1
• Multiplizieren
• Komma so setzen, dass das Ergebnis
d1 + d2 Dezimalen hat
0,0007 · 0,003 = 7 · 3 : 107 = 21 : 107 =
= 0,0000021
15
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
6,4
6,4 · 1000
6400
=
=
=
0,128
0,128 · 1000
128
= 6400 : 128 = 50
Zur Division zweier Dezimalbrüche verschiebt
man das Komma beim Dividenden und beim
Divisor um die gleiche Stellenzahl soweit nach
rechts, bis der Divisor ganzzahlig ist.
6,4 : 0,128 =
12,5 : 0,0005 = 125000 : 5 = 25000
1,001 : 0,13 = 100,1 : 13 = 7,7
Endliche und periodische Dezimalbrüche
In folgender Tabelle bedeutet PFN Primfak”
toren des Nenners“, e endlich“, rp rein peri”
”
odisch“, gp gemischt periodisch“ und p die Pe”
riodenlänge.
Jeder Dezimalbruch mit n Dezimalen (Stellen
nach dem Komma) lässt sich als Bruch mit dem
Nenner 10n = 2n · 5n schreiben. Die Grundform
(vollständig gekürzte Form) dieses Bruches hat
im Nenner nur die Primfaktoren 2 und 5.
Ein vollständig gekürzter Bruch, dessen Nenner
andere Primfaktoren als 2 oder 5 enthält, ist
periodisch unendlich oder kurz periodisch. Die
Länge der Periode ist kleiner als der Nenner.
Bruch
1
= 0,004
250
1
= 0,3
3
1
= 0,142857
7
1
= 0,03
33
1
= 0,03
30
1
= 0,16
6
611
= 0,1234
4950
Ein periodischer Dezimalbruch heißt reinperiodisch, wenn die Periode direkt nach dem
Komma beginnt.
Ein periodischer Dezimalbruch heißt gemischtperiodisch, wenn zwischen Komma und Periode
noch weitere Ziffern stehen.
Einen Bruch verwandelt man in einen Dezimalbruch durch Erweitern auf eine Zehnerpotenz im
Nenner oder einfach durch schriftliches Dividieren:
17 · 4
68
17
=
=
= 0,68
25
25 · 4
100
PFN
Typ
p
2, 5
e
0
3
rp
1
7
rp
6
3, 11
rp
2
3, 2, 5
gp
2
2, 3
gp
1
2, 3, 5, 11
gp
2
0,12 = 0,121212...
0,12 = 0,122222...
0,120034 = 0,120034034034...
Reinperiodischer Dezimalbruch in Bruch:
0,7 =
7
9
69
23
=
99
33
1
2439
=
0,02439 =
99999
41
Periode
0,Periode
| {z } = 999...9
| {z }
Länge p
0,69 =
p mal die 9
7
34
34
17
: 10 =
: 10 =
=
9
9
90
45
456
: 1000 =
0,123456 = 123,456 : 1000 = 123
999
123333
41111
123333
: 1000 =
=
999
999000
333000
Gemischtperiodischer Dezimalbruch in Bruch:
0,37 = 3,7 : 10 = 3
Ist z die Zahl der Ziffern zwischen Komma und
Periode, dann multipliziert man mit 10z , erhält
damit einen reinperiodischen Dezimalbruch, wandelt diesen in einen Bruch um und dividiert anschließend wieder durch 10z .
12 18
12
2
:
=
=
99 99
18
3
7 7
99
=
= 11
0,7 : 0,07 = :
9 99
9
0,12 : 0,18 =
Zum Rechnen verwandelt man periodische Dezimalbrüche zweckmäßigerweise in Brüche.
16
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Prozentrechnung
Brüche in der Prozentschreibweise
5% =
x
,
100
1% =
1
,
100
100 % =
100
=1
100
3 % von 500 =
Grundaufgaben der Prozentrechnung
Grundwert: 240, Prozentsatz: 5%
w
x% · g = w
x% · 180 = 30 =⇒
30
2
30
x% ==
=
· 100% = 16 %
180
180 | {z }
3
Prozentsatz gesucht:
w
w
= · 100 %
g
g
1
————————–
15 Prozent eines Betrages sind 42€. Betrag?
Grundwert gesucht:
g=
15% · x = 42 €
42 €
4200 €
42 €
= 15 =
= 280 €
x=
15%
15
100
————————–
Preis mit 16% MWSt ist 52,2 €. Preis ohne
MWSt?
w
w · 100
=
x%
x
Zu a werden x % von a addiert (a wird um x %
vergrößert):
x a + x % · a = a · (1 + x %) = a · 1 +
100
x · (1 + 16%) = x · 1,16 = 52,2 €
52,2 €
= 45 €
1,16
————————–
Ein Flugzeug verliert 30% seiner Höhe und fliegt
danach noch 1540 m hoch. Ursprüngliche Höhe?
x=
Von a werden x % von a subtrahiert (a wird um
x % verkleinert):
x a − x % · a = a · (1 − x %) = a · 1 −
100
x · (1 − 30%) = x · 0,7 = 1540 m
1540 m
= 2200 m
0,7
————————–
Ein Betrag x wächst bei 5%-iger Verzinsung in
drei Jahren auf 4630,50 €an.
Ein Betrag a wird bei einer Bank einbezahlt und
jährlich mit x% verzinst. Nach n Jahren ist der
Wert des Kapitals
x = a · (1 + x%)
=⇒
5 · 240
= 12
Prozentwert: w = 5% · 240 =
100
————————–
Wieviel Prozent von 180 sind 30?
Prozentsatz
| {z } = Prozentwert
|
{z
} |vom
{z } Grundwert
|
{z
}
x% =
3
· 500 = 15
100
1
1
100
1
= · 100 % =
% = 33 %
3
3
3
3
7
0,7 = 0,7 · 100 % = 77,7 % = 77 %
9
a = a · 1 = a · 100 % = (a · 100) %
g
1
10
3
4
12,3 = 12,3 · 100 % = 1230 %
Jede Zahl a kann man in die Prozentschreibweise
umwandeln:
mal
200
=2
100
2% =
x
x·g
x% von g = x% · g =
·g =
100
100
x%
200 % =
1
1
1
, 4% =
, 5% =
, 10 % =
50
25
20
1
1
1
20 % = , 25 % = , 50 % = , 75 % =
5
4
2
Ein Hundertstel nennt man auch ein Prozent, in
Zeichen 1 %.
x% =
5
1
=
= 0,05,
100
20
x=
n
x · (1 + 5%)3 = x · 1,053 = 4630,5 €
x=
17
4630,5 €
4630,5 €
=
= 4000 €
3
1,05
1,157625
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Relative Häufigkeit
Ein Experiment mit verschiedenen möglichen Ergebnissen (z.B. das Werfen eines Würfels) nennt
man ein Zufallsexperiment. Wird ein Zufallsexperiment n-mal ausgeführt und tritt ein bestimmtes Ergebnis dabei z-mal ein (Trefferzahl), dann
nennt man den Quotienten nz die relative Häufigkeit für das Auftreten des Ergebnisses:
relative Häufigkeit =
Ein Würfel wird 200-mal geworfen. In folgender
Tabelle bedeuten T die Trefferzahl und rH die
relative Häufigkeit:
T
rH
rH
1
31
0,155
15,5%
2
37
0,185
18,5%
3
33
0,165
16,5%
4
38
0,19
19%
5
29
0,145
14,5%
Zahl der Treffer
Gesamtzahl der Versuche
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Quader
H
Ein Quader wird von sechs Rechtecken begrenzt.
Ein Quader hat acht Ecken (A, B, C, ...), zwölf
Kanten ([AB], [BC], [CD], ...) und sechs Flächen.
Je zwei gegenüberliegende Rechtecke des Quaders
sind gleich.
Je vier Kanten des Quaders sind gleich lang:
G
E
F
c
D
C
b
a = AB = CD = EF = GH
b = BC = DE = FG = HE
c = AE = BF = CG = DH
A
a
B
1 cm3
Ein Quader mit lauter gleich langen Kanten heißt
Würfel.
Ein Würfel wird von sechs gleichen Quadraten
begrenzt.
1 cm
Raummaße
Der Rauminhalt (das Volumen) eines Würfels
mit der Kantenlänge 1 cm ist ein Kubikzentimeter
(cm3 ).
Ein Würfel mit der Kantenlänge 10 cm besteht
aus 10 · 10 · 10 = 1000 Würfeln mit 1 cm Kantenlänge, d.h. 1 dm3 = 1000 cm3.
1 cm3
1 km3 = (1000 m)3 = 109 m3
1 m3 = 1000 dm3 = 106 cm3 = 109 mm3
1 dm3 = 1000 cm3 = 106 mm3
1 cm3 = 1000 mm3
1 mm3 = (1000 µ)3 = 109 µ3
1 dm3
1 µ3 = (1000 nm)3 = 109 nm3
1cm
1 nm3 = (1000 pm)3 = 109 pm3
10 cm
18
6
32
0,16
16%
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 6
Definitionen und Regeln
Beispiele
Einer Stelle bei den Längeneinheiten entsprechen
zwei Stellen bei den Flächeneinheiten und drei
Stellen bei den Volumeneinheiten.
km
ha
m
cm
dm
mm
m3
= 123456,789123 dm3 =
µ
z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z}|{
• •••
•
••• ••• •
a
m2
dm2
m3
dm3
= 123456789,123 cm3 =
= 123456789123 mm3
µ2
cm2 mm2
z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z }| {
•• •• •• •• •• •• • • • • ••
cm3
0,0800031 m3 = 80 dm3 3 cm3 100 mm3
µ3
mm3
z}|{ z}|{ z}|{ z}|{ z
}|
{
• • •• • • • • • •• • • • •• • • • • •
1 Liter
1 Hektoliter
1 Milliliter
1 Zentiliter
=
=
=
=
1l
1 hl
1 ml
1 cl
dm3 cm3 mm3
z}|{ z}|{ z}|{ z}|{
123 , 456 789 123 m3 = 123 m3 456 dm3 789 cm3 123 mm3 =
=
=
=
=
0,000 307 mm3 = 307 000 µ3
1 m3
1l
1 cl
1 ml
1 dm3
100 dm3
1 cm3
10 cm3
=
=
=
=
1000 l
100 cl
10 ml
1 cm3
=
=
=
=
10 hl
1000 ml
10 cm3
1000 mm3
Volumen und Oberfläche des Quaders
Ein Quader mit den Kantenlängen a = 3 m, b =
7 cm und c = 2 mm hat das Volumen
Ein Quader mit den Kantenlängen a, b und c hat
das Volumen
V = a·b·c
V = 3000 mm·70 mm·2 mm = 420 000 mm3 = 420 cm3 ,
die Oberfläche
die Oberfläche
A = 2 · (a · b + a · c + b · c)
A = 2 · (3000 mm · 70 mm + 3000 mm · 2 mm+
+70 mm · 2 mm) =
und die Gesamtkantenlänge
= 432 280 mm2 = 43 dm2 22 cm2 80 mm2 ,
k = 4 · (a + b + c)
und die Gesamtkantenlänge
Ein Würfel mit der Kantenlänge a hat das Volumen
V = a3
k = 4 · (3000 mm + 70 mm + 2 mm) =
= 12 288 mm = 12 m 2 dm 8 cm 8 mm.
die Oberfläche
Ein Würfel hat das Volumen 74 088 cm3, wie lang
sind seine Kanten?
A = 6 · a2
Primfaktorenzerlegung von 74 088:
und die Gesamtkantenlänge
V = a3 = 23 ·33 ·73 cm3 = (2·3·7 cm)3 = (42 cm)3
k = 12 · a
=⇒
19
a = 42 cm
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Algebra
Definitionen und Regeln
Beispiele
Terme
T = 23 − 32 = 8 − 9 = −1
T ist eine Differenz, deren Minuend und Subtrahend jeweils Potenzen sind.
Ein Term ist ein Rechenausdruck. Ein Term besteht aus Zahlen, Rechenzeichen und gegebenenfalls aus Benennungen. Einen Term berechnen
heißt, ihn soweit zu vereinfachen, bis nur noch eine Zahl übrig bleibt; diese Zahl ist der Wert des
Terms. Die letzte Rechenoperation bei der Berechnung eines Terms git dem Term seinen Namen (Summe, Differenz, Produkt, Qoutient oder
Potenz).
Einem Term gibt man oft einen Kurznamen, der
meistens aus nur einem Buchstaben besteht und
möglichst aussagekräftig ist, z.B. V für ein Volumen.
x = (7 − 2 · 5) : (1 − 22 ) = (−3) : (−3) = 1
x ist ein Quotient.
2
a = (16 − 3 · 7)(3 −7) = (−5)2 = 25
a ist eine Potenz.
V ist das Volumen eines Quaders mit den Kantenlängen 2 cm, 3 cm und 4 cm:
V = 2 cm · 3 cm · 4 cm = 24 cm3
Variable
T (x) = x2 − 3 · x
Eine Variable ist ein Platzhalter für eine Zahl,
d.h. statt der Variablen kann man eine beliebige Zahl aus einer vorgegebenen Grundmenge G
schreiben (das Wort Variable bedeutet Veränderliche). Kommt die gleiche Variable mehrmals in
einem Term vor, muss sie jedes mal mit der gleichen Zahl belegt werden.
Einen Term mit dem Namen T , der die Variable
x enthält, schreibt man so:
T (2) = 22 − 3 · 2 = 4 − 6 = −2
T (−2) = (−2)2 − 3 · (−2) = 4 + 6 = 10
T (0) = 02 − 3 · 0 = 0 − 0 = 0
Wertetabelle für T (x):
−2 −1 0
1
x
T (x) 10
4 0 −2
T (x) (man spricht T von x“).
”
T (3) bedeutet:
Wegen T (0) = 0 und T (3) = 0 hat T bei x1 = 0
und bei x2 = 3 Nullstellen.
Ersetze jedes x im Term T (x) durch 3.
3b
a
3·1
3
= 8 − 1,5 = 6,5
f (2, 1) = 2 −
2
3·5
f (−2, 5) = (−2)3 −
= −8 + 7,5 = −0,5
−2
3·0
f (1, 0) = 13 −
=1
1
3x
f (0, x) = 03 −
nicht definiert, da Division durch 0
0
f (a, b) = a3 −
Die Werte des Terms T (x) stellt man übersichtlich in Form einer Wertetabelle dar: Ausgewählte
x-Werte aus der Grundmenge G schreibt man in
die erste Zeile und die entsprechenden Termwerte
T (x) in die zweite Zeile.
Ein Term T (x) hat eine Nullstelle bei x1 , wenn
T (x1 ) = 0.
Den Malpunkt vor einer Variablen oder vor einer
Klammer darf man weglassen:
3 · x = 3x,
2 3
−2 0
V ist das Volumen eines Quaders mit den Kantenlängen a, b und c:
5 · (3 · a − a · b2 · y 3 ) = 5(3a − ab2 y 3 )
V (a, b, c) = abc
20
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Definitionsmenge eines Terms
2+x
2
+
4 − x 2x + 5
Nullstellen der Nenner:
Ein Term T (x), der Brüche oder Quotienten
enthält, ist für diejenigen Werte von x nicht definiert, für die ein Nenner oder Divisor den Wert
null annimmt. Die Definitionsmenge DT eines
Terms T (x) ist die Menge aller Zahlen aus der
Grundmenge G ohne die Nullstellen der Nenner bzw. Divisoren. Ist nichts anderes angegeben,
dann verwenden wir als Grundmenge die Menge
Q der rationalen Zahlen.
T (x) =
4 − x = 0 =⇒ x = x1 = 4
2x + 5 = 0 =⇒ x = x2 = −2,5
DT = G \ {−2,5; 4}
Wie die Definitionsmenge wirklich aussieht, hängt
von der Grundmenge ab:
G = Q =⇒ DT = Q \ {−2,5; 4}
G = Z =⇒ DT = Z \ {4}
Aufstellen von Termen
Um einen Term zur Berechnung einer bestimmten mathematischen Größe zu finden, stellt man
folgende Überlegungen an:
Das Steuermodell von Kirchhoff (2005)
Vom gesamten Jahreseinkommen einer Familie
werden pro Person 8000 € Freibetrag abgezogen,
vom Rest sind 25% Steuern zu zahlen.
Der effektive Steuersatz gibt an, wieviel Prozent
des Einkommens die Steuern ausmachen. Gesucht
ist ein Term, der den effektiven Steuersatz aus
dem Monatseinkommen berechnet.
• Welche Variablen braucht man?
• Welche Namen gibt man den Variablen?
• Welche Zahlenbereiche sind für die Variablen sinnvoll?
x
12x
n
s
e
• Wie berechnet man aus den Variablen die
gesuchte Größe?
Wenn man den Term gefunden hat, muss man
die Information, die in ihm steckt, verdeutlichen. Dazu erstellt man eine Wertetabelle und
veranschaulicht diese Werte in einer Grafik
(Balkendiagramm, Koordinatensystem).
:
:
:
:
:
Monatseinkommen
Jahreseinkommen
Zahl der Personen in der Familie
zu zahlende Steuern pro Jahr
effektiver Steuersatz
s = 25% · (12x − n · 8000)
e=
Nachfolgende Grafik zeigt den effektiven Steuersatz des nebenstehenden Beispiels für eine, zwei,
drei und vier Personen pro Familie:
s
12x − 8000n
2000n
= 25% ·
= 25% · 1 −
12x
12x
3x
Diese Formel gilt nur, wenn 12x > 8000n ist, für
12x ≦ 8000n zahlt man keine Steuern:
e(x, n)
25%
e(x, n) =
n=1
n=2
n=3
n=4
20%
25% · 1 −
0
8000n
x
für x >
für x ≦
2000n
3
2000n
3
Die folgende Wertetabelle gibt den effektiven
Steuersatz in Prozent an:
15%
10%
x
n=1
n=2
n=3
n=4
5%
0
(
0
2000
4000
6000
8000
10000
x
21
1000
8,3
0
0
0
2000
16,7
8,3
0
0
4000
20,8
16,7
12,5
8,3
6000
22,2
19,4
16,7
13,9
8000
22,9
20,8
18,8
16,7
10000
23,3
21,7
20,0
18,3
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Termumformungen
T (x) = x3 − x2 , F (x) = 2x
Äquivalente Terme
T (−1) = (−1)3 − (−1)2 = −1 − 1 = −2
F (−1) = 2 · (−1) = −2, also T (−1) = F (−1)
Zwei Terme mit Variablen heißen äquivalent, wenn sie für jede Ersetzung der
Variablen den gleichen Wert ergeben.
T (0) = 03 − 02 = 0
F (0) = 2 · 0 = 0, also T (0) = F (0)
T (x) und F (x) sind also äquivalent, wenn für
jedes x aus der gemeinsamen Definitionsmenge
T (x) = F (x) gilt.
T (2) = 23 − 22 = 8 − 4 = 4
F (2) = 2 · 2 = 4, also T (2) = F (2)
aber:
T (1) = 13 − 12 = 1 − 1 = 0
F (1) = 2 · 1 = 2, also T (1) 6= F (1)
Zur Überprüfung der Äquivalenz zweier Terme
muss wirklich jedes Element der gemeinsamen
Definitionsmenge der beiden Terme eingesetzt
werden. Da die Definitionsmenge meistens aus
unendlich vielen Elementen besteht, ist diese Art
der Überprüfung in der Praxis nicht möglich.
In den folgenden Kapiteln lernen wir Methoden
kennen, wie man Terme in äquivalente Terme umrechnet (Äquivalenzumformungen).
T (x) ist also nicht äquivalent zu F (x).
A(x, y) =
x2 − y 2
, B(x, y) = x − y
x+y
3
22 − 12
= =1
2+1
3
B(2; 1) = 2 − 1 = 1, also A(2; 1) = B(2; 1)
A(2; 1) =
Alle weiteren Ersetzungen ergeben ebenfalls
A(x; y) = B(x; y), d.h die beiden Terme sind
äquivalent (exakter Beweis folgt später).
4x3 , −3x3 und x3 sind gleichartig, die Koeffizienten lauten 4, −3 und 1.
Zusammenfassen von Termen
Zwei Terme heißen gleichartig, wenn sie sich nur
in einem Zahlenfaktor (dem Koeffizienten) unterscheiden.
Die Terme 2a2 und 4a3 sind nicht gleichartig.
5x + 2x = (5 + 2)x = 7x
Zwei gleichartige Terme fasst man zusammen, indem man den gemeinsamen
Faktor mit Hilfe des Distributivgesetzes
(DG) ausklammert.
5a3 − a3 = 5 · a3 − 1 · a3 = (5 − 1)a3 = 4a3
8x2 −12x2 +x2 = (8−12+1)x2 = (−3)x2 = −3x2
−5z−4z = (−5)z+(−4)z = [(−5)+(−4)]z = −9z
4x+7y −5x−3y = (4x−5x)+(7y −3y) = −x+4y
Trick für viele Terme: Den fehlenden Faktor 1 dazuschreiben, z.B.
5a2 x3 − 4ax2 + 3a2 x3 − 3ax2 = 8a2 x3 − 7ax2
x2 = 1 · x2
3 · 4x = 3 · (4 · x) = (3 · 4) · x = 12x
Multiplikation und Division
Assoziativgesetz
:
abc = (ab)c = a(bc)
Kommutativgesetz
:
ab = ba
Vorsicht:
3 · ab 6= 3a · 3b
3x · 5y = (3 · 5) · (x · y) = 15xy
1 2 4·3·5
u =
· (a · a · u · u2 ) = 6a2 u3
10
10
12a : 4 = (12 : 4)a = 3a
ab
a
a·b:c=
= · b = (a : c) · b
c
c
4a · 3u · 5a ·
an · am = an+m
x3 · x5 = x8
(2a)3 = 23 a3 = 8a3
(ab)n = an bn
(
+1 für gerades n
n
(−1) =
−1 für ungerades n
27 · 57 = (2 · 5)7 = 107
(−1)9 = −1,
(−1)24 = 1
(−2)9 = [(−1) · 2]9 = (−1)9 · 29 = −512
22
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ausmultiplizieren
5(a + 2b) = 5a + 10b
Grundlage für das Ausmultiplizieren sind das Distributivgesetz:
a2 (a2 − ab + b) = a4 − a3 b + a2 b
(−3)(5s − 3r) = (−3) · 5s + (−3) · (−3r) =
−3(2a − 4b + c − d) = −6a + 12b − 3c + 3d
a(b + c) = ab + ac
(+) · (+) = (+)
−4x2 (−3xy+2x2 −5x3 y 2 ) = 12x3 y−8x4 +20x5 y 2
3 3 2 2 2 5 2 3
1
5
r s
rs − r s = r4 s4 − r5 s5
4
9
6
6
8
(+) · (−) = (−) · (+) = (−)
−(a − b + c) = (−1)(a − b + c) = −a + b − c
und die Vorzeichenregeln
(−) · (−) = (+)
Ein Minuszeichen vor einer Klamer
öndert das Vorzeichen jedes Summanden in der Klammer.
−a(b − c) = (−a)(b + (−c)) =
u2 v−2v 2 −(u2 v−v 2 ) = u2 v−2v 2 −u2 v+v 2 = −v 2
= (−a)b + (−a)(−c) =
= −ab + ac
Ausmultiplizieren von zwei Summen:
(x − 3)(x + 5) = x2 − 3x + 5x − 15 = x2 + 2x − 15
(a + b)(c + d) = (a + b)c + (a + b)d =
(a − b)(x − y − z) = ax − bx − ay + by − az + bz
(−x − y)(−x − z) = x2 + xy + yz + yz
2
2
a
a4 b a2 b 3
ab
ab
a2 b
=
−
+
−
2
3
3
2
4
9
= ac + bc + ad + bd
Jeder Summand der ersten Klammer
wird, unter Berücksichtigung der Vorzeichen, mit jedem Summanden der
zweiten Klammer multipliziert.
(1 − x)(1 + y)(1 − z) = (1 − x + y − xy)(1 − z) =
= 1 − x + y − z − xy + xz − yz + xyz
Binomische Formeln
(2s + 3r)2 = 4s2 + 12sr + 9r2
Ein Binom ist eine Summe mit zwei Summanden,
z.B. a + b oder x − y.
(−a − b)2 = [(−1)(a + b)]2 = (−1)2 (a + b)2 =
= (a + b)2 = a2 + 2ab + b2
x y 2
x2
xy
y2
=
−
−
+
2
3
4
3
9
2
2
2001 = (2000 + 1) = 20002 + 2 · 2000 · 1 + 12 =
= 4 000 000 + 2000 + 1 = 4 002 001
(a + b)2 = a2 + 2ab + b2
(a − b)2 = a2 − 2ab + b2
(a + b)(a − b) = a2 − b2
19992 = (2000 − 1)2 = 20002 − 2 · 2000 · 1 + 12 =
= 4 000 000 − 2000 + 1 = 3 998 001
(1 − x)(1 + x) = 1 − x2
x2 y + xy 2 − x2 y 2 = xy(x + y − xy)
a8 + a7 + a4 = a4 a4 + a3 + 1
x2
2
2
2
a −x =a 1− 2
a
Ausklammern
Das Ausklammern ist eine Anwendung des Distributivgesetzes.
a−b+c=k·
a
b
c
− +
k k k
36x3 − 48x2 − 24x = 12x(3x2 − 4x − 2)
x xy
x2
x
−
+
=
(6 − 21y + 14x)
7
2
3
42
1
a − b + c = · (ka − kb + kc)
k
23
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gleichungen
Eine Gleichung für die Variable x besteht aus zwei
Termen T (x) und R(x), die durch das Gleichheitszeichen verbunden sind:
Grundmenge
T (x) = R(x)
4❥
Von der sprachlichen Struktur her ist eine Gleichung eine Behauptung (Aussage), nämlich die,
dass die linke Seite T (x) gleich der rechten Seite R(x) ist. Diese Behauptung kann wahr oder
falsch sein, je nachdem, welchen Wert die Variable x annimmt.
T (x) = R(x)
9❥
R(x)
−2
4
4
0
0
10
1
1
13
2
4
16
5
25
25
6
36
28
7❥
Lösungsmenge
Bei manchen Gleichungen sind die vorkommenden Terme für einige x-Werte nicht definiert
(Nullstellen im Nenner). Die Grundmenge ohne
diese nichterlaubten Werte heißt Definitionsmenge (D) der Gleichung. D ist der Durchschnitt von
G und den Definitionsmengen der einzelnen Terme (siehe S. 21).
:
Wenn B, dann A“
”
A genau dann wenn B“
”
A und B sind gleichwertig
A ist äquivalent zu B
x2 = x, G = N
=⇒
L = {1}
=⇒
L = {}
L = {}
=⇒
=⇒
L=G=Z
x · 0 = 0, G = Q
=⇒
L=G=Q
x · 0 = 7, G = Q
=⇒
L = {}
x
= 1, G = Q
x
=⇒
L = D = Q\{0}
2x − 2
2x − 6
=
,G=Q
x−1
x−3
=⇒
L = D = Q\{1; 3}
A und B seien zwei Aussagen (Aussagesätze, die
wahr oder falsch sein können).
A ⇐= B
L = {0; 1}
x2 = x · x, G = Z
Ist bei einer Gleichung keine Grundmenge angegeben, dann nimmt man die größtmögliche
Grundmenge an (bei uns Q).
Wenn A, dann B“ oder genauer
”
Wenn A wahr ist, dann ist auch
”
B wahr“
=⇒
x2 = −1, G = Q
Ist eine Gleichung für jedes x wahr, dann ist die
Lösungsmenge gleich der Definitionsmenge.
:
x2 = x, G = Q
x2 = x, G = {2; 4; 7}
Ist eine Gleichung für kein x erfüllt, dann ist die
Lösungsmenge gleich der leeren Menge.
A =⇒ B
Abfall
-2❥
L = {−2; 5}
:
1❥
0❥
Der Tabelle entnimmt man, dass T (x) = R(x) für
x = −2 und x = 5 eine wahre Aussage ist, für die
anderen Werte aus G dagegen nicht =⇒
A ⇐⇒ B
falsch
wahr
Beispiel: |{z}
x2 = 3x + 10, G = {−2; 0; 1; 2; 5; 6}
| {z }
x
T (x)
R(x)
❥
11
3❥
Die Lösungsmenge L der Gleichung
T (x) = R(x) zur Grundmenge G besteht aus allen Zahlen x ∈ G, für die
T (x) = R(x) eine wahre Aussage ist.
T (x)
8❥
x sei eine natürliche Zahl.
24
A = 2 ist Teiler von x“
”
B = 3 ist Teiler von x“
”
C = 2 ist Teiler von x und 3 ist Teiler von x“
”
D = 6 ist Teiler von x“
”


D =⇒ A 

A =⇒ D 



D =⇒ B 

B =⇒ D
D =⇒ C
falsch
richtig
A ⇐⇒ D 


C =⇒ D 



B ⇐⇒ D

C ⇐⇒ D
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Äquivalenzumformungen von Gleichungen
Jede Gleichung der Form T (x) = R(x) kann in
der Form G(x) = 0 geschrieben werden, denn
Zwei Gleichungen mit gleicher Grundmenge heißen äquivalent, wenn sie die gleiche Lösungsmenge besitzen. Eine Äquivalenzumformung verwandelt eine Gleichung in eine äquivalente Gleichung.
Zwischen äquivalenten Gleichungen schreibt man
⇐⇒“.
”
Eine Gleichung geht in eine äquivalente Gleichung
über, wenn man auf beiden Seiten den gleichen
Term addiert oder von beiden Seiten den gleichen
Term subtrahiert:
T (x) = R(x)
| − R(x)
T (x) − R(x) = R(x) − R(x)
⇐⇒
⇐⇒
T (x) − R(x) = 0
|
{z
}
G(x)
Das Umstellen von Gleichungen ist die konsequente Anwendung von Äquivalenzumformungen:
x+a = b
⇐⇒ x + a − a = b − a
⇐⇒
x=b−a
T (x) = R(x)
⇐⇒ T (x) + S(x) = R(x) + S(x)
⇐⇒ T (x) − S(x) = R(x) − S(x)
| −a
x·a=b
| :a
⇐⇒ x · a : a = b : a
b
⇐⇒
x=b:a=
a
Eine Gleichung geht in eine äquivalente Gleichung
über, wenn man beide Seiten mit dem gleichen
Term (6= 0) multipliziert oder beiden Seiten durch
den gleichen Term (6= 0) dividiert. Für S(x) 6= 0
gilt also:
Für die folgenden Beispiele sei D = Q:
T (x) = R(x)
⇐⇒ T (x) · S(x) = R(x) · S(x)
x + 9 = 7 ⇐⇒ x = 7 − 9 = −2 =⇒ L = {−2}
⇐⇒
3x = 18
x−3 = −5 ⇐⇒ x = −5+3 = −2 =⇒ L = {−2}
R(x)
T (x)
=
S(x)
S(x)
x+a=b
x−a=b
ax = b,
a 6= 0
nao
L=
b
b
a
⇐⇒ x = b · a
⇐⇒
G=Q
x=
18
=6
3
=⇒
L = {6}
x
= 3 ⇐⇒ x = 3 · 7 = 21 =⇒ L = {21}
7
Für a 6= 0 und b 6= 0 gilt:
a
a
= b ⇐⇒ a = b · x ⇐⇒ x =
x
b
⇐⇒ x = b − a
⇐⇒ x = b + a
Für a 6= 0 gilt:
x·a= b
x
=b
a
⇐⇒
x=
=⇒
a
= b,
x
D=Q
a = 0, b 6= 0
a = 0, b = 0
L = {}
L=Q
a 6= 0, b 6= 0
L=
nao
b
G=Q
=⇒
D = Q \ {0}
a = 0, b 6= 0
a 6= 0, b = 0
a = 0, b = 0
L = {}
L = {}
L = Q \ {0}
Lineare Gleichungen
lineare Gleichungen
nichtlineare Gleich.
Eine Gleichung heißt linear, wenn die Unbekannte x nur in Termen der Form ax vorkommt. Es
dürfen keine Produkte von Termen auftreten, die
beide x enthalten, es dürfen keine Potenzen xn
mit n ≧ 2 dabei sein und x darf nicht in Nennern
oder Divisoren stehen.
5x = 3
x2 = 9
11x − 5 − 3x = 2x − 8 − 3x
3
= 5x
x−1
5(3 − 7x) = 9(x − 8)
x5 − x3 = 3x − 8
25
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Strategie zum Lösen linearer Gleichungen
Für die folgenden Beispiele ist G = Q:
• Wenn erforderlich, beide Gleichungsseiten vereinfachen (Ausmultiplizieren, Zusammenfassen).
−8x + 3 = 1
⇐⇒
−8x = −2
| : (−8)
−2
1
x=
=
−8
4
⇐⇒
• Alle Terme mit der Unbekannten nach links,
alle anderen Terme nach rechts.
|−3
5x − 8 − 9x = 3(2 − 3x) − 4x
⇐⇒
−4x − 8 = 6 − 13x
| + 13x + 8
• Zusammenfassen, bis die Form ax = b erreicht ist.
⇐⇒
Manche nichtlinearen Gleichungen können durch
Äquivalenzumformungen auf lineare Gleichungen
zurüchgeführt werden.
9x = 14
14
x=
9
⇐⇒
(x − 1)(x + 2) = (x − 3)(x − 4)
x2 + x − 2 = x2 − 7x + 12
⇐⇒
⇐⇒
8x = 14
7
14
=
x=
8
4
⇐⇒
Textaufgaben
| − x2 + 7x + 2
Eine Mutter sagt zu ihrer Tochter: Heute bin ich
”
genau viermal so alt wie du, vor zwei Jahren war
ich noch fünfmal so alt wie du es damals warst.“
Wie alt sind Mutter und Tochter heute?
• Variablen definieren (hinschreiben, welche
Bedeutung die Variablen haben).
• Gleichung aufstellen, die dem Angabentext entspricht (noch nichts umstellen oder
schon ausrechnen).
Festlegung der Variablen:
Alter der Tochter heute
Alter der Mutter heute
Alter der Tochter vor 2 a
Alter der Mutter vor 2 a
• Gleichung lösen.
• Lösungen interpretieren, Probe.
⇐⇒
⇐⇒
:
:
:
:
t
m = 4t
t−2
m − 2 = 4t − 2
4t − 2 = 5(t − 2)
4t − 2 = 5t − 10
| − 4t + 10
t=8
Die Tochter ist heute 8 Jahre alt, die Mutter 32.
Probe: Vor zwei Jahren: Tochter 6, Mutter 30
5 · 6 = 30
Mittelwerte
Das arithmetische Mittel
Größen a1 , a2 , ... , an ist
(Durchschnitt) der
Notenverteilung einer Schulaufgabe:
1
1
a1 + a2 + ... + an
a=
n
3
7
4
8
5
6
6
3
Die Durchschnittsnote ist
Besteht eine Ansammlung von Daten aus z1 mal
dem Wert a1 , z2 mal dem Wert a2 , ... , zn mal
dem Wert an , dann ist das arithmetische Mittel
a=
2
4
1·1+4·2+7·3+8·4+6·5+3·6
=
1+4+7+8+6+3
110
≈ 3,79
=
29
N=
z1 a1 + z2 a2 + ... + zn an
z1 + z2 + ... + zn
26
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Elemente der Geometrie
Eine Gerade ist eine nach beiden Seiten unendlich
lange, gerade Linie.
h=
[E
F
F
Durch zwei Punkte A und B läßt sich
genau eine Gerade g = AB zeichnen.
g=
B
Die Halbgerade [EF besteht aus allen Punkten der
Geraden EF, die auf der gleichen Seite von E liegen wie F. Der Randpunkt E gehört zu [EF.
Sind C und D zwei Punkte, dann ist die Strecke
[CD] der Teil der Geraden CD zwischen den
Punkten C und D. Die Randpunkte C und D
gehören zur Strecke [CD].
AB
E
A
[CD
C
]
D
e
CD = Länge der Strecke [CD]
S
Geraden und Strecken sind Punktmengen.
P ist ein Punkt der Geraden g: P ∈ g
f
Der Schnittpunkt der Geraden e und f ist S:
e ∩ f = {S}
[CD] = [CD ∩ [DC
Der Kreis
Der Kreis (die Kreislinie) um den Mittelpunkt M
mit Radius r ist die Menge aller Punkte P mit
MP = r:
r
M
ki (M;r)
k(M;r) = {P | MP = r}
Kreisinneres :
Kreisäußeres :
ki (M;r) = {P | MP < r}
ka (M;r) = {P | MP > r}
Winkel
k
Ein Winkel ist ein geordnetes Paar von Halbgeraden mit dem gleichen Anfangspunkt. Die Halbgeraden sind die Schenkel, der gemeinsame Punkt
ist der Scheitel des Winkels.
B
Beispiel: h = [SA, k = [SB
<
) ASB =<
) (h, k),
Winkelfeld von <
) ASB
<
) BSA
<
) BSA =<
) (k, h)
<
) ASB
S
Dreht man die erste Halbgerade eines Winkels im
Gegenuhrzeigersinn um den Scheitel bis zur zweiten Halbgeraden, dann überstreicht sie das Winkelfeld dieses Winkels.
A
h
27
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Winkelmaße
In der 10. Klasse wird bewiesen: Die Kreislinie
mit Radius r hat die Länge
k
B
mit π ≈ 3,14159
U = 2πr
r=1
U heißt Umfang des Kreises.
1◦ =
Definition:
=⇒
◦
π
180
Bogenlänge b
◦
π = 180 ,
◦
U = 360 · r
2π = 360 ,
α =<
) ASB
Ein Kreis mit dem Radius r = 1 (wir verzichten
hier auf eine Längeneinheit) heißt Einheitskreis.
S
A
Der Einheitskreis hat den Umfang
h
◦
U = 2π = 360 .
Das Winkelfeld eines Winkels schneidet aus dem
Einheitskreis um den Scheitel einen Bogen der
Länge b heraus. Diese Bogenlänge verwenden wir
als Maß des Winkels. Dem vollen Winkel entspricht der ganze Umfang als Bogenlänge, d.h. der
volle Winkel hat das Maß 360◦.
Voller Winkel
Winkel werden mit kleinen griechischen Buchstaben bezeichnet. Dabei setzt man meistens (etwas schlampig!) den Winkel (das geordnete Paar
von Halbgeraden) und das Winkelmaß (eine Zahl)
gleich, z.B. α =<
) ASB = 40◦ .
Winkelname
spitzer Winkel
rechter Winkel
stumpfer Winkel
gestreckter Winkel
überstumpfer Winkel
voller Winkel
270◦
360◦
180◦
rechter Winkel (90◦ )
gestreckter Winkel
Bereich
0 < α < 90◦
α = 90◦
◦
90 < α < 180◦
α = 180◦
◦
180 < α < 360◦
α = 360◦
Die wichtigsten griechischen Buchstaben:
α
β
γ
δ
ε
λ
ω
η
Alpha
Beta
Gamma
Delta
Epsilon
Lambda
Omega
Eta
ϕ
ψ
π
σ
̺
µ
ϑ
τ
Phi
Psi
Pi
Sigma
Rho
Mu
Theta
Tau
Verfeinerung des Winkelmaßes:
Winkelminute:
Winkelsekunde:
1◦
60
1◦
1′
′′
=
1 =
60
3600
1′ =
Zeichnen eines 30◦ -Winkels
an die Gerade g im Punkt S
1◦ = 60′ = 3600′′
S
g
36◦
48◦
+
= 28,81◦
28 48 36 = 28 +
60
3600
◦
′
′′
◦
79,54◦ = 79◦ + 0,54 · 60′ = 79◦ + 32,4′ =
= 79◦ 32′ + 0,4 · 60′′ = 79◦ 32′ 24′′
28
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Winkel an einer Geradenkreuzung
Zwei gegenüberliegende Winkel an einer Geradenkreuzung heißen Scheitelwinkel, zwei benachbarte Winkel heißen Nebenwinkel. In nebenstehender Abbildung sind die Paare (α, γ) und (β, δ)
Scheitelwinkel, die Paare (α, β), (β, γ), (γ, δ) und
(δ, α) sind Nebenwinkel. Zwei Nebenwinkel bilden
zusammen einen gestreckten Winkel:
g
β
γ
δ
h
Nebenwinkel ergänzen sich zu 180◦.
α + β = 180◦ =⇒ α = 180◦ − β
=⇒ α = γ
γ + β = 180◦ =⇒ γ = 180◦ − β
α
α + β = β + γ = γ + δ = δ + α = 180◦
α = γ,
Scheitelwinkel sind gleich.
Kongruente Dreiecke
β=δ
C
Standardbezeichnungen am Dreieck
△ABC
γ
Die Ecken werden mit Großbuchstaben, die gegenüberliegenden Seiten mit dem entsprechenden
Kleinbuchstaben bezeichnet. Den Winkel (genauer Innenwinkel) an einer Ecke bezeichnet man,
wenn möglich, mit dem entsprechenden griechischen Buchstaben.
Kongruente Figuren
a
b
α
β
A
B
c
Zwei kongruente Figuren:
Zwei Figuren heißen kongruent oder deckungsgleich , wenn man sie passgenau aufeinander legen
kann. Kongruente Figuren kann man durch eine
Bewegung ineinander überführen.
Zwischen kongruente Figuren schreibt man das
Zeichen ∼
=“. Bei der Schreibweise ist zu beachten,
”
dass einander entsprechende Punkte der kongruenten Figuren an entsprechenden Stellen stehen.
C
△ABC ∼
= △DEF
bedeutet:
F
ϕ
γ
α
A=
b D, B =
b E, C =
bF
a = d, b = e, c = f
α = δ, β = ε und γ = ϕ.
d
a
b
β
c
A
e
δ
ε
B
E
f
D
Kongruenzaxiome
C2
Zwei Dreiecke sind kongruent, wenn sie in
1. drei Seiten (sss)
a
2. einer Seite und den anliegenden Winkeln
(wsw)
C1
a
α
A
3. zwei Seiten und dem Zwischenwinkel
(sws)
4. zwei Seiten und dem Gegenwinkel der
größeren Seite (ssW)
c
B
Die beiden Dreiecke △ABC1 und △ABC2 stimmen in a = 4 cm, c = 6 cm und in α = 30◦ überein, sind aber trotzdem nicht kongruent (α ist der
Gegenwinkel der kleineren Seite, da a < c).
übereinstimmen.
29
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Konstruktionen
Winkelübertragung
Die folgende Konstruktion beruht auf der Kongruenz △SAB ∼
= △PCD (sss).
Gegeben ist der Winkel α =<
) (e, f ) mit dem
Scheitel S und die Halbgerade g mit dem Endpunkt P. α soll so an g angetragen werden, dass
P der Scheitel und g ein Schenkel des Winkels ist:
k4
D
f
B
k2
k3
k1 = k(S;r) (r beliebig)
S
α
k1
{A} = e ∩ k1 , {B} = f ∩ k1
C
α
k2 = k(P;r), {C} = g ∩ k2
g
A
e
k3 = k(A;r = AB), k4 = k(C;r = AB)
P
{D} = k2 ∩ k4 , [PD ist der gesuchte Schenkel.
Winkelhalbierende
Die folgende Konstruktion beruht auf der Kongruenz △SAC ∼
= △SBC (sss).
Gegeben ist der Winkel α =<
) (e, f ) mit dem
Scheitel S. Gesucht ist eine Gerade wα durch S,
die α in zwei gleiche Winkel zerlegt:
f
B
k3
k1 = k(S;r) (r beliebig)
S
{A} = e ∩ k1 , {B} = f ∩ k1
′
α
2
α
2
′
k2 = k(A;r ) (r genügend groß)
k1
C
wα
k2
A
k3 = k(B;r′ ) {C} = k2 ∩ k3
e
wα = SC ist die gesuchte Winkelhalbierende.
Lotkonstruktionen
Q
Konstruktion der Mittelsenkrechten mAB
der Strecke [AB]:
k1 = k(A;r) (r >
AB
2 ,
k1
k2
sonst beliebig)
k2 = k(B;r), k1 ∩ k2 = {P,Q}
A
α
γ
β
δ
mAB = PQ
M
mAB
B
{M} = mAB ∩ AB ist der Mittelpunkt von [AB].
Senkrechte auf g in P ∈ g errichten:
P
Ein Kreis um P mit beliebigem Radius schneidet
g in A und in B. Dann Mittelsenkrechte auf [AB].
Beweis für die Richtigkeit der Konstruktion:
Lot von P ∈
/ g auf g fällen:
△ABQ ∼
= △ABP (sss)
Ein Kreis um P mit genügend großem Radius
schneidet g in A und in B. Dann Mittelsenkrechte
auf [AB].
△AMQ ∼
= △AMP (sws)
=⇒
α=β
=⇒
γ=δ
◦
Nebenwinkel: γ + δ = 2γ = 180 ,
γ = 90◦
P
A
30
P
B
A
B
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Parallelen
Winkel an einer Doppelkreuzung
In nebenstehender Abbildung heißen:
Stufenwinkel
Nachbarwinkel
Wechselwinkel
oder Z-Winkel
ϕ
α und ε, β und ϕ
γ und µ, δ und σ
α und σ, β und µ
α und µ, β und σ
µ
β α
γ δ
Zwei Geraden g und h einer Ebene heißen parallel,
wenn sie keinen Schnittpunkt haben oder gleich
sind.
gkh
⇐⇒
ε
σ
g ∩ h = {} oder g = h
β
h
Mit den Kongruenzsätzen kann man beweisen:
Werden zwei verschiedene Geraden g
und h von einer dritten Geraden geschnitten und sind zwei Stufenwinkel
gleich, dann ist g parallel zu h.
α
g
Beweisbar:
Die Umkehrung dieses Satzes ist mit den bisherigen Axiomen nicht beweisbar. Daher postulierte
schon Euklid (365-300v.Chr.) das Axiom:
α=β
=⇒
gkh
Nicht beweisbar:
Werden zwei verschiedene parallele Geraden g und h von einer dritten Geraden geschnitten, dann sind Stufenwinkel gleich. (Parallelenaxiom)
gkh
Zusammenfassend:
gkh
ϕ ε
µ σ
Werden zwei verschiedene Geraden g
und h von einer dritten Geraden geschnitten, dann gilt:
β α
γ δ
g und h sind parallel genau dann, wenn
• Stufenwinkel gleich sind
gkh ⇐⇒ α = ε oder γ = µ oder ...
⇐⇒ α = µ oder β = σ
• Z-Winkel (Wechselwinkel) gleich
sind
zu
⇐⇒
α=β
Zu P ∈
/ g gibt es genau eine Gerade h
mit
hkg und P ∈ h
sich
α=β
(Parallelenaxiom)
Aus dem Parallelenaxiom folgt:
• Nachbarwinkel
ergänzen.
=⇒
⇐⇒ α + σ = 180◦ oder β + µ = 180◦
180◦
Konstruktion der Parallelen zu g durch P:
P
Parallelen konstruiert man durch Winkelübertragung unter Ausnutzung des Z-Winkel- oder Stufenwinkelsatzes.
Spezialfall des Stufenwinkelsatzes:
Zwei Geraden sind parallel, wenn beide auf einer
dritten Geraden senkrecht stehen.
31
h
α
f
α
g
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Dreiecke
C
Winkelsumme im Dreieck
α
Aus dem Z-Winkelsatz folgt, dass α, β und γ zusammen einen gestreckten Winkel ergeben:
g
β
γ
gkAB
Die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks ist 180◦ .
α
β
A
B
Die Nebenwinkel der Innenwinkel eines Dreiecks
heißen Außenwinkel.
γ
β ′ = α + γ,
A
γ′ = α + β
n
Sn
Die Summe der Innenwinkel eines nEcks ist Sn = (n − 2) · 180◦ .
3
180◦
a
E
ε
e
β
f
B
c
δ
A

a=f 
α=ϕ

β=δ
D
△ABC ∼
= △FDE
=⇒
ha
C
A
FA
FB
FA
ha
hc = [CFC ]
hc
C
FC
hb
FB
hc
hb
FC
A
B
B
C
C
MA , MB und MC sind die Mittelpunkte der Dreiecksseiten. Seitenhalbierende:
sc
MB
sc = [CMC ]
mc
MB
MA
A
mb
MC
MC
A
B
Die Mittelsenkrechten ma , mb und mc schneiden
sich in einem Punkt, dem Umkreismittelpunkt des
Dreiecks.
C
γ
2
WB
Winkelhalbierende:
α
2
wγ = [CWC ],
A
γ
2
wα WA
wβ
α
2
32
MA
ma
sb
sa
Die Seitenhalbierenden schneiden sich in einem
Punkt.
wβ = [BWB ],
100
17640◦
ϕ
α
Die Höhen (bzw. ihre Verlängerungen) schneiden
sich in einem Punkt.
wα = [AWA ],
12
1800◦
d
γ
Das Lot von einer Ecke eines Dreiecks auf die
gegenüberligende Seite heißt Höhe. Ist FC der
Fusspunkt des Lotes von C auf AB, dann ist
hc = [CFC ] die zu C gehörende Höhe.
sb = [BMB ],
5
540◦
b
Besondere Linien im Dreieck
sa = [AMA ],
4
360◦
F
Zwei Dreiecke sind kongruent, wenn sie
in einer Seite und zwei entsprechenden
Winkeln übereinstimmen. (wws)
hb = [BFB ],
B
C
Kennt man in einem Dreieck eine Seite und zwei
beliebige Winkel, dann kennt man wegen der
Winkelsumme auch den dritten Winkel. Somit
sind die beiden der Seite anliegenden Winkel bekannt. Es gilt also ein weiterer Kongruenzsatz:
ha = [AFA ],
β′
β
α′ α
Ein Außenwinkel im Dreieck ist gleich
der Summe der nichtanliegenden Innenwinkel. (Außenwinkelsatz)
α′ = β + γ,
C
γ′
In nebenstehender Abbildung sind α′ , β ′ und γ ′
Außenwinkel.
wγ
WC
β
2
β
2
B
B
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das gleichschenklige Dreieck
Spitze
A
Es gilt auch die Umkehrung:
hc
α
β
B
Basis
A
β
B
M
Im gleichschenkligen Dreieck fallen die
Höhe zur Basis, die Seitenhalbierende
der Basis und die Winkelhalbierende
des Winkels an der Spitze zusammen.
Ein Dreieck mit zwei gleichen Winkeln
ist gleichschenklig.
Zusammengefasst:
⇐⇒
a=b
⇐⇒
sc
wγ
α
Im gleichschenkigen Dreieck sind die
Basiswinkel gleich.
a=b
a
b
el
nk
Sc
he
he
Sc
nk
el
Ein Dreieck mit zwei gleich langen Seiten heißt
gleichschenklig. Die beiden gleich langen Seiten
sind die Schenkel, die dritte Seite ist die Basis.
Die der Basis gegenüberliegende Ecke heißt Spitze
des gleichschenkligen Dreiecks.
C
hc = sc = wγ
α=β
Das gleichseitige Dreieck
Ein Dreieck mit drei gleich langen Seiten heißt
gleichseitig. Im gleichseitigen Dreieck ist jede Seite Basis eines gleichschenkligen Dreiecks, d.h. je
zwei Winkel sind gleich. Somit sind alle drei Winkel gleich.
C
γ
60◦
b
a
α
β
A
Im gleichseitigen Dreieck sind alle Innenwinkel gleich 60◦ .
C
c
a=b=c
Im gleichseitigen Dreieck fallen alle entsprechenden Höhen, Seiten- und Winkelhalbierenden zusammen.
B
a
60◦
60◦
A
⇐⇒
Konstruktion
eines
gleichseitigen Dreiecks
△ABC, wenn [AB]
gegeben ist:
Durch Konstruktion eines gleichseitigen Dreiecks
kann man einen 60◦ -Winkel konstruieren. Durch
fortgesetzte Winkelhalbierung und Winkelübertragungen ergibt sich:
a
a
B
α = β = γ = 60◦
C
k2
k1
k1 = k(A; r = AB)
k2 = k(B; r = AB)
A
B
Jeder Winkel der Form
α=
m
· 60◦
2n
Beispiele für konstruierbare Winkel:
1
1
1
· 60◦ , 15◦ = 2 · 60◦ , 7,5◦ = 3 · 60◦
2
2
2
5
1
75◦ = 60◦ + 2 · 60◦ = 2 · 60◦
2
2
1
13
97,5◦ = 90◦ + 3 · 60◦ = 3 · 60◦
2
2
1
4,5◦ = 4 · 72◦
2
1
1
3◦ = 3 · 60◦ − 4 · 72◦
2
2
Nicht konstruierbar sind z.B. die folgenden Winkel:
30◦ =
mit ganzen Zahlen m und n ist konstruierbar.
Spezialfall: 90◦ =
3
· 60◦
21
Sind α und β konstruierbar, dann ist
auch
m
r
γ = n ·α+ s ·β
2
2
mit ganzen Zahlen m, n, r und s konstruierbar.
Mit Methoden, die wir später kennen lernen, kann
man auch den 72◦ -Winkel und viele andere Winkel konstruieren.
1◦ , 10◦ , 20◦ , 40◦ und 80◦ .
33
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
△ABC mit b < c:
Lagebeziehungen im Dreieck
AD = b ⇒ δ1 = δ2
In einem Dreieck liegt dem größeren
Winkel die gröëre Seite gegenüber und
umgekehrt.
b<c
⇐⇒
=⇒
=⇒
<a
β
B
D
c
=⇒
β<γ
Jetzt sei β < γ gegeben. Es gibt drei Möglichkeiten:
C
1. b > c
=⇒
β>γ
(Widerspruch)
2. b = c
=⇒
β>γ
(Widerspruch)
3. b < c
=⇒
β<γ
(kein Widerspruch)
a
b
Damit ist bewiesen: β < γ
A
a
ε
δ2
α
A
δ2 = β + ε
Damit ist bewiesen: b < c
Im rechtwinkligen Dreieck liegt dem
rechten Winkel die größte Seite gegenüber.
<b
δ1
β = δ2 − ε = δ1 − ε = (γ − ε) − ε = γ − 2ε < γ
Da im rechtwinkligen Dreieck der rechte Winkel
der gröte Winkel ist, folgt:
c = AB = |{z}
AD + |{z}
DB
b
Außenwinkelsatz
β<γ
AD < b und DB < a
C
γ
D
B
=⇒
b<c
Beispiel: △ABC mit α = 70◦ , β = 80◦ , γ = 30◦
c<a+b
=⇒
In einem Dreieck ist die Summe zweier
Seiten größer als die dritte Seite.
γ<α<β
=⇒
c<a<b
=⇒ |a − b| < c
Im △ABC gilt:
In einem Dreieck ist der Betrag der Differenz zweier Seiten kleiner als die dritte Seite.
b+c>a
a+c>b
=⇒ a − b > c
=⇒ a − b > −c
Beispiel: Es gibt kein Dreieck △ABC mit a = 10,
b = 7 und c = 2, da |a − b| = 3 > 2 = c.
Die Strecke [AB] ist die kürzeste Verbindung zwischen A und B.
Der Abstand
P ist ein Punkt, der nicht auf der Geraden g liegt
und F ist der Fußpunkt des Lotes von P auf g.
Weiter ist Q ein beliebiger Punkt auf g, der nicht
gleich F ist:
=⇒ PQ > PF
P
P′
P
β
h
d
d
d
′
α
Q
Die Länge PF des Lotes von P auf g
ist die kürzeste Verbindung zwischen P
und irgend einem Punkt auf g. PF heißt
Abstand des Punktes P von g:
F
g
F
F′
g

FP’ = FP’

=⇒ △FP′ P ∼
α=β
(Z-Winkel)
= △P′ FF′

′
◦
◦
=⇒ d = d
90 = 90
(Abstand)
d(P; g) = PF
Zum Sprachgebrauch:
Eine Entfernung gibt es zwischen zwei Punkten,
einen Abstand gibt es zwischen einem Punkt und
einer Geraden oder zwischen zwei Parallelen.
Jeder Punkt P einer Geraden h hat zu
einer dazu parallelen Geraden g den
gleichen Abstand d. d heißt Abstand
der parallelen Geraden.
34
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
2α + 2β = 180◦
Der Thaleskreis
Ist M der Mittelpunkt der Strecke [AB], dann
heißt der Kreis um M mit Radius r = AB
2 Thaleskreis über [AB]. Mit TKAB bezeichnen wir den
Thaleskreis ohne die Endpunkte der Strecke:
AB
\ {A;B}
TKAB = k M; r =
2
γ = α + β = 90
C
◦
α
γ
β
β
α
A
B
M
C1
C2
Damit gilt der Satz des Thales:
In einem Dreieck △ABC gilt
γ = 90◦
⇐⇒
A
C ∈ TKAB
B
M
C3
Symmetrie
Achsensymmetrie und Achsenspiegelung
a
a ist eine Gerade, die Symmetrieachse.
P
P und P′ heißen symmetrisch bezüglich
der Achse a, wenn a die Mittelsenkrechte auf [PP′ ] ist.
M
P′
P geht durch die Achsenspiegelung an a in P′
über.
P′ ist der Spiegelpunkt von P bezüglich a und umgekehrt:
a
P ←→ P′
P
B
Konstruktion des Spiegelpunktes P′ von P:
Man wählt zwei Punkte A ∈ a und B ∈ a.
P′
A
k1 = k(A; r = AP)
a
k2 = k(B; r = BP)
k1 ∩ k2 = {P, P′ }
g′
g
d
a
⇐⇒
d
P′
P
Achsenpunkte und nur diese sind zu
sich selbst symmetrisch (Fixpunkte):
P ←→ P
M
α
P∈a
β
Q
Spiegelt man alle Punkte einer Geraden g an einer Achse a, dann bilden
die Bildpunkte wieder eine Gerade, die
Bildgerade g ′ . g und g ′ schneiden a unter dem gleichen Winkel.
a

QM = QM 
(sws)
=⇒ △PMQ ∼
= △P′ MQ
PM = MP′
◦
◦  =⇒ α = β
90 = 90
35
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Strecke [PQ] wird an der Achse a gespiegelt,
ihr Bild ist [P′ Q′ ].

MN = MN 
(sws)
=⇒ △PMN ∼
= △P′ MN
PM = MP′

◦
◦
=⇒ γ = δ =⇒ α = β
90 = 90
und PN = NP′
d
P
d
M
δ
γ
α
Q

QN = NQ′ 
(sws)
= △P′ NQ′
PN = NP′  =⇒ △PNQ ∼
=⇒ PQ = P′ Q′
α=β
P′
β
Q′
N
a
Damit ist bewiesen:
A
Die Achsenspiegelung ist längentreu,
d.h. eine Strecke geht bei der Achsenspiegelung in eine gleich lange Strecke
über.
A′
B
C
B′
Aus dem Kongruenzsatz (sss) folgt dann:
′
C
a
Bei der Achsenspiegelung geht ein Dreieck in ein dazu kongruentes Dreieck
über. Dabei ändert sich der Umlaufsinn.
Beispiele achsensymmetrischer Figuren mit ihren
Symmetrieachsen:
Allgemein gilt:
Bei der Achsenspiegelung geht eine geometrische Figur in eine dazu kongruente Figur über. Die Achsenspiegelung ist
daher eine Kongruenzabbildung.
Eine Figur heißt achsensymmetrisch, wenn es eine
Achsenspiegelung gibt, die die Figur in sich selbst
überführt.
Figur
Rechteck
gleichseitiges Dreieck
Quadrat
regelmäßiges n-Eck
Kreis
Zahl der Achsen
2
3
4
n
unendlich viele
Punktsymmetrie und Punktspiegelung
Z ist ein Punkt, das Symmetriezentrum.
Q′
P
Z
P und P′ heißen symmetrisch bezüglich
des Punktes Z, wenn Z der Mittelpunkt
der Strecke [PP′ ] ist.
P′
Q
P geht durch die Punktspiegelung an Z in P′ über.
P′ ist der Spiegelpunkt von P bezüglich Z und
umgekehrt:
Z
P ←→ P′
P
Z
P′
Die Punktspiegelung an Z ist identisch
mit einer Drehung um Z um 180◦ .
36
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 7
Definitionen und Regeln
Beispiele
Konstruktion des Spiegelpunktes P′ von P:
Man zeichnet die Gerade PZ und den Kreis
k = k(Z; r = ZP)
P
k ∩ PZ = {P, P′ }
Z
P′
Nur das Zentrum ist zu sich selbst symmetrisch (Fixpunkt):
Z
P ←→ P
⇐⇒
P=Z
g′
g
Q′
P
Spiegelt man alle Punkte einer Geraden g an einem Zentrum Z, dann bilden
die Bildpunkte wieder eine Gerade, die
Bildgerade g ′ . g und g ′ sind parallel.
γ
Z
α
β
δ
P′
Q
Die Punktspiegelung ist längentreu,
d.h. eine Strecke geht bei der Punktspiegelung in eine gleich lange Strecke
über.

QZ = ZQ′
 (sws)
′
=⇒ △PQZ ∼
= △P′ Q′ Z
PZ = ZP

=⇒ γ = δ =⇒ gkg ′
α = β (Z-Winkel)
und PQ = P′ Q′
Bei der Punktspiegelung geht eine geometrische Figur in eine dazu kongruente
Figur über. Die Punktspiegelung ist daher eine Kongruenzabbildung. Der Umlaufsinn bleibt erhalten.
C′
A
B′
Z
B
Eine Figur heißt punktsymmetrisch, wenn es eine
Punktspiegelung gibt, die die Figur in sich selbst
überführt.
C
Beispiele punktsymmetrischer Figuren:
A′
Beispiele punktsymmetrischer Figuren mit ihren
Symmetriezentren:
• Parallelogramm
• Rechteck
• Quadrat
• Kreis
• regelmäßiges n-Eck, wenn n gerade ist
37
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Algebra
Definitionen und Regeln
Beispiele
Funktionen
Relation und Funktion
Als Beispiel betrachten wir die Relation
Unter einem Zahlenpaar verstehen wir ein geordnetes Paar von rationalen Zahlen. Geordnet bedeutet, dass z.B. (1|2) 6= (2|1).
Jedes Zahlenpaar (a|b) kann als Punkt P(a|b) in
einem Koordinatensystem dargestellt werden.
f = { (x|y) | x = y 2 und x ∈ Df }
mit der Definitionsmenge Df = { 0 ; 1 ; 2,25 ; 4 }
Wertetabelle:
x
y
Eine Relation ist eine Menge von
Zahlenpaaren.
0
0
1
1
1
−1
2,25
1,5
2,25
−1,5
4
2
4
−2
Die Wertemenge ist
f sei eine Relation, d.h. eine Menge von Zahlenpaaren. Die Menge aller linken (ersten) Zahlen
der Elemente von f heißt Definitionsmenge Df
der Relation f , die Menge aller rechten (zweiten) Zahlen dagegen nennt man die Wertemenge Wf .
Die beiden Zahlen eines Wertepaares kann man
als Koordinaten eines Punktes deuten (linke Zahl
= Rechtswert, x-Wert oder Abszisse, rechte Zahl
= Hochwert, y-Wert oder Ordinate). Die waagrechte Achse eines Koordinatensystems nennt
man die Rechtsachse oder Abszissenachse, die
senkrechte Achse heißt Hochachse oder Ordinatenachse. Zeichnet man alle Punkte einer Relation in ein Koordinatensystem, so erhält man
den Grafen Gf der Relation. Da die Relation f
eine Menge ist, stellt man die Zugehörigkeit eines
Wertepaares zu f mit dem Elementzeichen dar:
(x|y) ∈ f . Der Graf von f ist die Punktmenge
Wf = { 0 ; 1; −1 ; 1,5 ; −1,5 ; 2; −2 }
Der Graf der Relation f :
y
2
1
0
1
2
3
4 x
−1
−2
Man sieht, dass zu jedem x-Wert (außer 0) zwei
y-Werte gehören. f ist also nicht eindeutig und
somit keine Funktion.
y
Gf = {P (x|y) | (x|y) ∈ f }
y
Eine Relation f heißt eindeutig, wenn
(x, y1 ) ∈ f und (x, y2 ) ∈ f
=⇒
x
y1 = y2
Funktion
d.h. wenn es zu jedem x-Wert nur einen y-Wert
gibt.
x
keine Funktion
Schneidet eine Parallele zur y-Achse den Grafen einer Relation f mehr als einmal, dann ist
f keine Funktion.
Eine eindeutige Relation heißt Funktion.
Eine Funktion mit einer endlichen Definitionsmenge kann man durch Angabe aller Wertepaare hinschreiben. Bei einer Funktion mit einer unendlichen Definitionsmenge ist das nicht möglich.
In diesem Fall gibt man den Funktionsterm f (x)
bzw. die Funktionsgleichung y = f (x) an.
Die Menge aller Zahlenpaare, die man aus rationalen Zahlen bilden kann, nennt man Q2 :
Q2 = {(x|y) x ∈ Q, y ∈ Q}
38
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Funktionsterm f (x) ist eine Rechenvorschrift, mit der man zu jedem x ∈ Df den dazugehörenden y-Wert berechnen kann:
⇐⇒
y = f (x)
Für das Anschreiben von Definitions- oder Wertemengen benötigt man oft den Begriff des Intervalls:
Geschlossenes Intervall:
(x|y) ∈ f
[a; b] = {x | a ≦ x ≦ b}
Durch Angabe der Funktionsgleichung y = f (x)
und der Definitionsmenge Df ist eine Funktion f
eindeutig bestimmt.
Folgende Schreibweisen sind gleichbedeutend:
Offenes Intervall:
]a; b[= {x | a < x < b}
f = {(x|y) | y = f (x) und x ∈ Df }
Halboffene Intervalle:
f = {(x|f (x)) | x ∈ Df }
[a; b[= [a; b) = {x | a ≦ x < b}
Gf = {P (x|f (x)) | x ∈ Df }
f : x → y = f (x),
]a; b] = (a; b] = {x | a < x ≦ b}
x ∈ Df
[−2; 6]
Die letzte Schreibweise liest man so: Die Funktion
f ordnet jedem x ∈ Df den Wert y = f (x) zu.
−5 −4 −3 −2−1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
[1; 9[= [1; 9)
Ist 0 ∈ Df , dann hat der Graf von f genau einen
Schnittpunkt mit der y-Achse, nämlich (0, f (0)).
−5 −4 −3 −2−1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
]0; 8] = (8; 8]
Die Schnittpunkte des Grafen von f mit der xAchse heißen Nullstellen von f . Die x-Werte der
Nullstellen findet man durch das Lösen der Gleichung f (x) = 0.
−5 −4 −3 −2−1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
] − 4; 4[= (−4; 4)
−5 −4 −3 −2−1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
y
Beispiel:
(0|f (0))
y = f (x) =
f
x
f (x)
x
−3
2x + 7 = 0
=⇒
x3 = − 72
2
0
3
2,5
f
−1
1
3
x
−1
Dem Grafen und der Wertetabelle entnimmt man
die Wertemenge Wf = [−2; 2,5]].
5
3
x2 =
1
−1,5
1
x1 = 3
=⇒
0
−2
2
+1
3x − 5 = 0
−1
−1,5
3
5x − 4
+
3x − 5
2x + 7
Nullstellen der Nenner suchen:
=⇒
−2
0
y
Df,max = Q \ {Nullstellen der Nenner}
x
3−x
−3
2,5
Der Wertetabelle entnimmt man die Nullstellen
x1 = −2 und x2 = 2. Der Schnittpunkt des Grafen mit der y-Achse ist (0| − 2).
Ist keine Definitionsmenge einer Funktion angegeben, verwendet man die maximal mögliche Definitionsmenge, bei uns also Q. Einschränkungen der
maximalen Definitionsmenge gibt es, wenn der
Funktionsterm Brüche enthält, in deren Nennern
die Variable x vorkommt. Die maximale Definitionsmenge ist dann Q ohne die Nullstellen der
Nenner:
3−x=0
x2 − 2, Df = [−3, 3]
Wertetabelle:
Nullstellen
Beispiel: f (x) =
1
2
Df,max = Q \ {− 27 , 35 , 3}
39
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die lineare (affine) Funktion
y
Eine Funktion mit dem Term
f
y2
f (x) = ax + b
Steigungsdreieck
∆y
mit Konstanten a und b heißt lineare oder affine Funktion.
y1
∆x
Der Graf der linearen Funktion mit dem Term
f (x) = ax + b ist eine Gerade, die die y-Achse
wegen f (0) = b im Punkt (0|b) schneidet.
b
∆x = x2 − x1
∆y = y2 − y1
Die Steigung einer Geraden ist über das Steigungsdreieck definiert:
Steigung =
x1
∆y
∆x
x
Änderung der unabhängigen Variablen x:
∆x = x2 − x1
Wegen ∆y = a · ∆x (siehe rechts) gilt
Steigung =
x2
Änderung der Funktionswerte:
∆y
=a
∆x
∆y = y2 − y1 = f (x2 ) − f (x1 =
= ax2 + b − (ax1 + b) =
= ax2 + b − ax1 − b = a(x2 − x1 )
Der Graf der linearen Funktion mit dem Term
f (x) = ax+b ist eine Gerade mit der Steigung
a und dem Abschnitt b auf der y-Achse.
∆y = a · ∆x
f (x) = 2x − 3, A(3|4), B(−1| − 5)
Überprüfen, ob der Punkt P(p1 |p2 ) auf dem Grafen von f liegt:
Einfach f (p2 ) berechnen und mit p1 vergleichen.
Gerade durch den Punkt P(p1 |p2 ) mit der Steigung a:
y
f (3) = 3 6= 4
=⇒
A∈
/ Gf
f (−1) = −5
=⇒
B ∈ Gf
Der Graf von f geht durch A(2|5) und hat die
Steigung af = − 31 : Zu ∆x = 3 gehört ∆y = −1
Der Graf von g geht durch B(3|1) und hat die
Steigung ag = 21 : Zu ∆x = 2 gehört ∆y = 1
f
y
∆y
P
A
p2
f (x)
∆x
b
+3
5
∆x = x − p1
4
∆y = f (x) − p2
3
−1
g
x
x
−1
+1
2
p1
+1 +2
B
1
+2
f (x) = p2 + ∆y = p2 + a∆x = p2 + a(x − p1 )
1
f (x) = p2 + a(x − p1 ) = ax + p2 − ap1
| {z }
f (x) = 5 − 13 (x − 2) = − 31 x +
b
=⇒
2
4
3
5
6
7
x
17
3
g(x) = 21 x + b
Alternativ kann man b durch Einsetzen der Koordinaten von P in die Funktionsgleichung berechnen:
f (p1 ) = ap1 + b = p2
+3
f
B ∈ Gf =⇒ g(3) =
3
2
+ b = 1 =⇒ b = − 21
g(x) =
b = p2 − ap1
40
1
1
x−
2
2
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gerade durch die Punkte P(p1 |p2 ) und Q(q1 |q2 ):
y
y
Q
Q
20
q2
f
f
∆y
∆y
P
P
11
p2
∆x
∆x
b
b
∆x = q1 − p1
∆x = 22 − 7 = 15
∆y = 20 − 11 = 9
∆y = q2 − p2
p1
q1
x
Gerade durch die Punkte P(7|11) und Q(22|20):
Die Steigung der Geraden ist
a=
22
7
x
Die Steigung der Geraden ist
q2 − p2
q1 − p1
a=
f (x) = p2 + a(x − p1 ) =
q2 − p2
· (x − p1 )
= p2 +
q1 − p1
(q2 − p2 )p1
q2 − p2
· x + p2 −
=
q1 − p1
q1 − p1
|
{z
}
20 − 11
9
3
=
= = 0,6
22 − 7
15
5
3
34
3
f (x) = 11 + (x − 7) = x +
5
5
5
f (x) = 0,6 x + 6,8
b
Spezielle Geraden:
y
Der Graf der Funktion y = f (x) = b
(Steigung 0) ist eine Parallele zur xAchse durch den Punkt (0|b).
y=b
b
x=c
Eine Parallele zur y-Achse durch den
Punkt (c|0) ist kein Graf einer Funktion, sondern der Relation
f = {(x|y) | x = c und y beliebig}
c
Schnittpunkt von zwei Geraden:
x
y
g
Gesucht ist der Schnittpunkt S(xS |yS ) der beiden
Geraden mit den Gleichungen
S
yS
f
f (x) = ax + b und g(x) = cx + d
Gleichsetzen der Funktionsterme:
f (xS ) = g(xS )
=⇒
axS + b = cxS + d
xS
Für a 6= c folgt
d−b
,
xS =
a−c
x
Beispiel: f (x) = 2x − 4 und g(x) = −x + 5
ad − bc
yS = f (xS ) =
a−c
2xS − 4 = −xS + 5 =⇒ xS = 3
yS = f (3) = g(3) = 2 =⇒ S(3|2)
Kein Schnittpunkt für a = c und b 6= d, für a = c
und b = d fallen die beiden Geraden zusammen.
41
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit
x
Ein Körper bewegt sich mit der konstanten Geschwindigkeit v und befindet sich zur Zeit t = 0
am Ort x0 . Dann ist der Ort x des Körpers zur
Zeit t eine lineare Funktion der Zeit:
x
x2
Steigungsdreieck
∆x
x1
x(t) = x0 + vt
∆t
x0
∆t = t2 − t1
Der Graf der Funktion x (das tx-Diagramm) ist
eine Gerade mit der Steigung v und dem Abschnitt x0 auf der x-Achse (Ordinate).
∆x = x2 − x1
t1
Ist von einer Bewegung die konstante Geschwindigkeit v und der Startort x1 zur Zeit t1 bekannt
(x1 = x(t1 )), dann ist der Ort zur Zeit t:
oder
x(t) = x1 − vt1 +vt
| {z }
km
· (t − 5 h) =
h
km
·t
= −570 km + 120
h
x(t) = 30 km + 120
x0
Mit ∆t = t2 − t1 und dem dazugehörenden
∆x = x2 − x1 = x(t2 ) − x(t1 ) =
= x0 + vt2 − (x0 + vt1 ) =
Zu welcher Zeit t0 war er am Beginn der Autobahn bei x0 = 0?
= v(t2 − t1 ) = v · ∆t
x(t0 ) = −570 km + 120
findet man
∆x
∆t
=⇒
Zwei Größen y und x heißen direkt proportional zueinander (y ∼ x), wenn der
Quotient von zwei zusammengehörenden Werten konstant ist:
• y = f (x) = kx mit einer Konstanten k
• f (nx) = nf (x)
• (x|y) ∈ f
k heißt Proportionalitätskonstante.
eine lineare Funktion mit der Steigung k und
f (0) = 0. Der Graf dieser Funktion ist eine Gerade durch den Ursprung.
∆x
=v
∆t
Eine Wertetabelle zweier Größen prüft man durch
Quotientenbildung der Wertepaare auf direkte
Proportionalität:
y
x
3
21
7
5
35
7
(nx|ny) ∈ f
Beispiel: Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit v; der in der Zeitspanne ∆t zurückgelegte
Weg ∆x ist zu ∆t direkt proportional, die Proportionalitätskonstante ist v:
y = f (x) = kx
0
0
7
⇐⇒
• Dem 2-, 3-, 4-,..., n-fachen von x entspricht
das 2-, 3-, 4-,..., n-fache von y
Ist y proportional zu x, dann ist
−1
−7
7
t0 = 4,75 h d.h. um 04:45:00 Uhr
• f ist eine direkte Proportionalität
y
= k = konstant
x
−2,3
−16,1
7
km
· t0 = 0
h
Für die Funktion f : x → y = f (x) sind folgende
Aussagen gleichbedeutend:
Direkte Proportionalität
x
y
t
Beispiel: Ein PKW wird auf der Autobahn zur
Zeit t1 = 5 h bei x1 = 30 km mit der Geschwindigkeit v = 120 km
h geblitzt. Unter der Annahme
einer konstanten Geschwindigkeit ist seine Ortsfunktion:
x(t) = x1 + v(t − t1 )
v=
t2
Beispiel: Eine Feder wird von der Kraft F um die
Strecke x gedehnt. Es gilt F ∼ x, die Proportionalitätskonstante ist die Federkonstante D:
y
x
konstant,
d.h. y ∼ x.
F (x) = D · x,
42
F
= D = konstant
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Umfang und Fläche des Kreises
Die Menge aller Punkte P, die von einem festen
Punkt M die gleiche Entfernung r haben, ist die
Kreislinie k(M, r) mit dem Mittelpunkt M und
dem Radius r:
P
U
r
S
M
k(M, r) = {P | MP = r}
d
A
R
Der Durchmesser des Kreises k ist die Länge einer
Strecke [RS] mit R ∈ k, S ∈ k und M ∈ [RS]:
d = RS = 2r
Beispiel: Der Umfang des Erdäquators ist U =
40000 km. Der Radius der Erde ist also
Die Länge der Kreislinie heißt Umfang U des
Kreises. U ist zu r proportional:
RE =
U = 2πr = πd
U
≈ 6366 km
2π
P
mit der Kreiszahl
AS
ϕ
π ist ein unendlicher, nichtperiodischer Dezimalbruch, also keine rationale Zahl. Eine gute Näherung für π steht dir auf deinem Taschenrechner
zur Verfügung.
Der Flächeninhalt des Kreises mit Radius r ist
Q
M
A = r2 π
Das tortenförmige Stück PMQ des Kreises heißt
Kreissektor oder kurz Sektor, ϕ ist der Öffnungswinkel des Sektors. Die Sektorfläche AS und die
Bogenlänge b sind zu ϕ proportional. Die Proportionalitätskonstante findet man wie folgt: Für
ϕ = 360◦ ist AS die volle Kreisfläche und b ist
gleich dem Umfang:
Ist A die Fläche eines Kreises mir Radius r und
A′ die Fläche eines Kreises mir Radius r′ = nr,
dann gilt:
A′ = (nr)2 π = n2 · r2 π = n2 · A
2πr
U
b
=
=
◦
ϕ
360
360◦
Ändert man den Radius eines Kreises
um den Faktor n, dann ändert sich seine
Fläche um den Faktor n2 .
πr2
A
AS
=
=
ϕ
360◦
360◦
Indirekte Proportionalität
Beispiel: Die immer gleiche Strecke s wird mit
verschiedenen, pro Fahrt aber konstanten Geschwindigkeiten v zurückgelegt; dann ist v umgekehrt proportional zur Fahrzeit t:
Zwei Größen y und x heißen indirekt
oder umgekehrt proportional zueinander, wenn das Produkt von zwei zusammengehörenden Werten konstant ist:
v·t= s
Der Graf
Funktion
x · y = k = konstant
f (x) =
Ist y umgekehrt proportional zu x, dann ist
y = f (x) =
b
r
π = 3,141592654...
1
x
der
y
4
3
2
k
x
1
Der Graf dieser Funktion heißt Hyperbel.
1
43
2
3
4 x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Lineare Ungleichungen
In den folgenden Beispielen ist die Grundmenge
G = Q:
Sind zwei Terme durch eines der Zeichen <, >, ≦
oder ≧ miteinander verbunden, spricht man von
einer Ungleichung. Zwei Ungleichungen mit gleicher Grundmenge heißen äquivalent, wenn sie die
gleiche Lösungsmenge besitzen. Äquivalenzumformungen von Ungleichungen sind:
0,5x + 4 ≦ 0
| −4
0,5x ≦ −4 | : 0,5
x ≦ −8
5x − 3 < 8x + 6
−3x < 9
• Addieren oder subtrahieren des gleichen
Terms auf beiden Seiten
x > −3
• Multiplizieren beider Seiten mit einem positiven Term
=⇒ L = ] − ∞; −8]
| − 8x + 3
| : (−3)
=⇒ L = ] − 3; +∞[
• Multiplizieren beider Seiten mit einem negativen Term und Umdrehen des Ungleichheitszeichens
Lineare Gleichungssysteme
Eine Gleichung mit zwei Unbekannten
2x − 5y = 3
Die lineare Gleichung
ax + by = c
(4|1) ist eine Lösung von (1), da tatsächlich
(I)
2·4−5·1= 8−5 =3
kann man für b 6= 0 nach y auflösen:
gilt. Weitere Lösungen von (1) sind z.B. die Zahlenpaare (−1| − 1), (1| − 0,2) und (1,5|0). Die
Lösungsmenge L von (1) ist eine Menge von Zahlenpaaren, also eine Relation. L hat sogar unendlich viele Elemente, da man zu jedem x ∈ Q ein
passendes y finden kann, indem man (1) nach y
auflöst:
c
a
y =− x+
b
b
Für b 6= 0 ist die Lösungsmenge von (I) also die
Menge aller Zahlenpaare (x|y) mit x ∈ Q und
y = − ab x + cb . L ist also nichts anderes als die
Funktion
f: x → y
2x − 5y = 3
| − 2x
−5y = 3 − 2x
| : (−5)
2
3
y = x−
=⇒
5
5
2
3
L = (x|y) x ∈ Q und y = x −
5
5
mit der Gleichung
c
a
y = f (x) = − x +
b
b
Für b = 0 lautet (I):
ax + 0 · y = c
(II)
f : x → f (x)
(III)
mit der Gleichung
=0
y = f (x) =
Für c 6= 0 gibt es dann überhaupt keine Lösung
(L = ∅) und für c = 0 ist jedes beliebige Zahlenpaar (x|y) eine Lösung.

(x|y) y = − ab x + bc


 c 
y∈Q
a |y
L=

{(x|y) | x ∈ Q, y ∈ Q}



{}=∅
für
für
für
für
y
L ist also nichts anderes als die Funktion
Für a 6= 0 besteht L aus allen Zahlenpaaren (x|y)
mit x = ac und beliebigem y.
Für a = b = 0 lautet (I):
0·x+0·y =c
| {z }
(1)
b 6= 0
a 6= 0, b = 0
a=b=c=0
a = b = 0, c 6= 0
44
1
1
−1
3
2
x−
5
5
2
3
4 x
−1
2x + 0 · y = 6 =⇒ L = {(3|y) y ∈ Q}
0 · x + 0 · y = 0 =⇒ L = Q2 = {(x|y) | x ∈ Q, y ∈ Q}
0 · x + 0 · y = 3 =⇒ L = ∅
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten
Wir betrachten das Gleichungssystem
ax + by = c
(1)
dx + ey = f
(2)
−2x + 5y = 5
3x + 0 · y = 15
L2 = {(x|y) x = 5, y ∈ Q}
L1
L2
∅
Q2
g1
∅
Q2
g2
∅
∅
∅
∅
Q2
g2
∅
g1
g1 ∩ g2
y=
L2
y
y
L2
L=∅
(1)
(2)
=⇒
y=
1
1
1
x− y =
2
3
4
x − 2y = 0
Wenn b 6= 0 und e 6= 0 löst man beide Gleichungen nach y auf
=⇒
5 x
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Beispiel für das Einsetzverfahren:
Gleichsetzungsverfahren:
(2)
4
1
7
x+
4
2
1
(2) =⇒ y = − x + 2
2
7
1
1
x+ =− x+2
(3) = (4) :
4
2
2
3
3
x=−
4
2
x = −2
1
(7) in (4) : y = − · (−2) + 2 = 3
2
L = {(−2 3)}
(1)
Methoden zum Lösen des Gleichungssystems
=⇒
3
x + 2y = 4
x
c
d
f
e
2
Beispiel für das Gleichsetzungsverfahren:
L1
a
y =− x+
b
d
y =− x+
e
L2
1
−x + 4y = 14
L1
x
L = L1 = L2
2
·5+1 = 3
5
1
L1 = L2
(1)
L1
L = L1 ∩ L2 = {(5|3)}
Für den Fall, dass L1 = g1 und L2 = g2 , gibt es
wieder drei Fälle, wie folgende Abbildung zeigt:
ax + by = c
dx + ey = f
3
2
L1 ist entweder die leere Menge ∅, ganz Q2 oder
eine Relation g1 , deren Graf eine Gerade ist. Entsprechendes gilt für L2 . Einen Überblick über die
möglichen Lösungsmengen L des Gleichungssystems zeigt folgende Tabelle:
a
x
L = {(a|b)}
y
x = 5 aus L2 in L1 eingesetzt ergibt
L = L1 ∩ L2
L
(2)
2
L1 = (x|y) y = x + 1
5
(1) hat die Lösungsmenge L1 und (2) die Lösungsmenge L2 . Die Lösungsmenge L des Systems
besteht aus allen Zahlenpaaren, die gleichzeitig
Lösung von (1) und von (2) sind. L ist also die
Schnittmenge von L1 und L2 :
y
b
(1)
(2) =⇒ x = 2y
1
1
1
· 2y − y =
(3) in (1):
2
3
4
1
2
y=
3
4
3
y=
8
(3)
(4)
Da die linken Seiten von (3) und (4) gleich sind,
müssen auch die rechten Seiten gleich sein:
(6) in (3) :
c
d
f
a
− x+ =− x+
b
d
e
e
Nach x auflösen und das Ergebnis in (3) oder (4)
einsetzen um y zu berechnen.
45
3
x = 2y =
4
3 3
L=
4 8
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Einsetzverfahren:
Beispiel für das Additionsverfahren:
Eine der beiden Gleichungen wird nach einer
der Unbekannten aufgelöst und das Ergebnis in
die andere Gleichung eingesetzt. Die so erhaltene Gleichung mit einer Unbekannten wird gelöst
und das Ergebnis in (1) oder (2) eingesetzt, um
die andere Unbekannte zu erhalten.
3x − 4y = 43
−2x − 3y = 11
(3) + (4) :
Die beiden Gleichungen werden so mit je einer
Zahl multipliziert, dass der Koeffizient einer Unbekannten in der einen Gleichung gleich dem Negativen des Koeffizienten derselben Unbekannten
in der anderen Gleichung wird. Beim Addieren
der so erhaltenen Gleichungen fällt dann eine Unbekannte heraus.
(3)
−bdx − bey = −bf
(4)
(ae − bd)x = ce − bf
ce − bf
Für ae − bd 6= 0 : x =
ae − bd
(3) + (4) :
(1) · (−d) : −adx − bdy = −cd
Beispiel für das Additionsverfahren:
18x − 17y = 124
12x + 13y = 34
(8)
0=0
73y = −146
(5)
(4)
y = −2
(6) in (2) : 12x − 26 = 34
(6)
x=5
L = {(5| − 2)}
Beispiel für das Additionsverfahren:
(1) | : 6
12x − 18y = 6
−10x + 15y = −5 (2) | : (−5)
(3) − (4) :
(3)
(3) + (4) :
Beispiel für das Additionsverfahren:
2x − 3y = 1
2x − 3y = 1
(1) | · (−2)
(2) | · 3
−36x + 34y = −248
(6)
(6) + (7) : (ae − bd)y = af − cd
af − cd
y=
ae − bd
(5)
(6)
−2x = −10
−10
x=
=5
−2
L = {(5| − 7)}
36x + 39y = 102
(7)
12x − 18y = 6
−17y = 119
y = −7
(5)
(2) · (−a) : adx + aey = +af
(3)
(4)
(6) in (2) : −2x − 3 · (−7) = 11
−2x + 21 = 11
(1) | · e
(2) | · (−b)
aex + bey = ce
(2) | · 3
6x − 8y = 86
−6x − 9y = 33
Additionsverfahren:
ax + by = c
dx + ey = f
(1) | · 2
−10x + 15y = 5
(1) | : 6
(2) | : (−5)
2x − 3y = 1
(3)
2x − 3y = −1 (4)
(3)
(4)
(3) − (4) :
(5)
(3) und (4) sind identisch, d.h. beide Gleichungen
haben die gleiche Lösungsmenge:
2
1
L = L1 = L2 = (x|y) y = x −
3
3
0=2
(5)
(5) ist für kein Wertepaar erfüllbar, d.h.
L=∅
Die Grafen von L1 und L2 sind parallele Geraden, die keinen Punkt gemeinsam haben.
46
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Bruchterme
Definitionsmenge von Bruchtermen
T (x) =
Z
Enthält der Nenner N eines Bruchterms T = N
Variable, dann müssen diese so gewählt werden,
dass N 6= 0 ist.
Enthält ein Bruchterm nur eine Variable, z.B. x,
dann gilt
Z(x)
T (x) =
N (x)
N (x) = 2x − 5 = 0
=⇒
x=
2
5
2
Max. Definitionsmenge von T : DT = Q \
5
mit dem Zählerterm Z(x) und dem Nennerterm
N (x). Die maximale Definitionsmenge von T ist
dann Q ohne die Nullstellen des Nenners:
T (x, y) =
N (x) = x − y = 0
DT = Q \ { x | N (x) = 0}
x+y
Z(x)
=
N (x)
x−y
=⇒
y=x
2
DT = {(x|y) | y 6= x} = Q \ {(x|y) | y = x}
Der Graf von DT (nicht von der Funktion
T (x, y)) ist also die ganze Ebene Q2 ohne der
Geraden mit der Gleichung y = x.
Ein Produkt ist null, wenn einer der
Faktoren null ist.
T1 (x) · T2 (x) · ... · Tn (x) = 0
Z(x)
x2 − 3x
=
N (x)
5x − 2
⇐⇒
T1 (x) = 0 oder T2 (x) = 0 oder ... oder Tn (x) = 0
T (x) =
Die maximale Definitionsmenge eines
Terms, der mehrere Brüche enthält, ist
Q ohne die Menge der Nullstellen aller
vorkommenden Nenner.
3x + 5 = 0
x2 = 0
x
1
4
− 2 +
3x + 5 x
(x − 3)(x + 1)
=⇒
=⇒
x=−
5
3
x=0
(x − 3)(x + 1) = 0 =⇒ x = 3 oder x = −1
5
DT = Q \ − , −1, 0, 3
3
Erweitern und Kürzen
2x(x + 5)
2x
und
sind äquix−3
(x − 3)(x + 5)
valent für x ∈ Q \ {−5, 3}.
Die Terme
Ein Bruchterm geht bei geeignet gewählter Definitionsmenge D in einen äquivalenten Term über,
wenn Zähler und Nenner mit dem gleichen Term
multipliziert werden (Erweitern):
36a5 b7
4b4
=
27a8 b3
3a3
Z(x)
Z(x) · A(x)
=
N (x)
N (x) · A(x)
24y(2x − 3y)
24y
48xy − 72y 2
=
=
22x − 33y
11(2x − 3y)
11
Ein Bruchterm geht bei geeignet gewählter Definitionsmenge D in einen äquivalenten Term über,
wenn Zähler und Nenner durch den gleichen Term
dividiert werden bzw. wenn man im Zähler und
im Nenner den gleichen Faktor weglässt (Kürzen):
a−x
−1 · (x − a)
=
= −1
x−a
1 · (x − a)
Z(x) : A(x)
Z(x)
=
N (x)
N (x) : A(x)
(a + b)c − (a + b)d
ac + bc − ad − bd
=
=
ad − bd − ac + bc
(a − b)d − (a − b)c
(a + b)(c − d)
(a + b)(c − d)
=
=
=
(a − b)(d − c)
−(a − b)(c − d)
a+b
b+a
=
=
−a + b
b−a
Z(x) · A(x)
Z(x)
=
N (x) · A(x)
N (x)
47
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gleichnamigmachen
Zwei oder mehr Bruchterme heißen gleichnamig,
wenn sie den gleichen Nenner haben. Durch geschicktes Erweitern kann man Bruchterme immer
gleichnamig machen.
T1 =
T1 =
1:
an
bn
12ya4 c2
,
576a4 b7 c5
T3 =
9zb4
576a4 b7 c5
x
1
x−1
1
= − =
x
x x
x
24x
4 · 6x(a − b)2
4(a − b)
(a − b)2
·
=
=−
2
18xy y(b − a)
−3 · 6xy (a − b)
3y 2
a
a
:c=
b
b·c
1 13x
x x2
−
: x2 + :
=
x
4
3 4
4x
3
3 13x
13
4
= − 2 + 2 = −
+
=
x 4x
3x
x 4x 3x
3 · 12 − 13 · 3 + 4 · 4
36 − 39 + 16
13
=
=
=
12x
12x
12x
3·
b
a
=
b
a
Doppelbrüche vereinfacht man durch Erweiterung des Hauptbruches mit dem Hauptnenner sämtlicher Teilbrüche.
Erweitern mit abc:
Bestehen Zähler und Nenner des Hauptbruches
nur aus Produkten von Teilbrüchen, dann gilt für
die Zähler und Nenner der Teilbrüche die einfache
Regel:
1
a
1 1
+
b
c
Zähler bleiben, Nenner springen (über den
Hauptbruchstrich).
a
·
b❥
e
·
f❥
T2 =
x−b
x−b x+b
x − b − (x + b)
−2b
−1 =
−
=
=
x+b
x+b x+b
x+b
x+b
a
a·c
·c=
b
b
a d
a·d
a c
: = · =
b d
b c
b·c
16xa2 b6 c5
,
576a4 b7 c5
1−
a
c
a·d+c·b
+ =
b
d
b·d
b
z
64a4 b2 c5
a2
x2
a2 − x2
a x
− =
−
=
x a
ax ax
ax
a−c
a c
− =
b
b
b
=
T3 =
Gleichnamig gemacht:
Wiederholung der Rechenregeln (siehe S. 13):
a n
y
,
48b7 c3
Erweiterungsfaktoren: 16a2 b6 c5 , 12a4 c2 , 9b4
Rechnen mit Bruchtermen
a c
a·c
· =
b d
b·d
T2 =
Hauptnenner: HN = 576a4b7 c5
Das Produkt aller Nenner mehrerer Bruchterme ist ein gemeinsamer Nenner dieser
Terme. Der kleinste gemeinsame Nenner
mehrerer Brüche ist iht Hauptnenner (HN).
Der Hauptnenner ist das kgV der einzelnen
Nenner.
a+c
a c
+ =
b
b
b
x
,
36a2 b
=
bc
bc
=
ac + ab
a(b + c)
Erweitern mit x(x − 2):
1
x2 − 3x
x(x − 2) − x
x−2 =
= 2
1
x(x − 2) − (x − 2)
x − 3x + 2
1−
x
c
d❥
acf h
=
g
egbd
h❥
1−
Vorsicht, hier kann nicht gekürzt werden!!
a 12 3y
·
·
2
3 x 8 = a · 12 · 3y · y · 4a = 6y
a2 x · 3 · 8x
x2
a2 x
·
y 4a
48
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
25 = 2 · 2 · 2 · 2 · 2 = 32
Potenzen mit ganzzahligen Exponenten
23 · 22 = (2 · 2 · 2) · (2 · 2) = 25 = 23+2
5
1
1 1 1 1 1
1
1
= · · · · = 5 =
2
2 2 2 2 2
2
32
Siehe auch S.4 und S.7.
Für n ∈ N und a ∈ Q definiert man
an = a
a ... · a}
| · a ·{z
2·2·2·2·2
= 24 = 25−1
2
2·2·2·2·2
= 22 = 25−3
25 : 23 =
2·2·2
2·2·2
1
23 : 25 =
= 2 = 2−2 = 23−5
2·2·2·2·2
2
1
23 · 2−5 = 23 : 25 = 2 = 2−2 = 23−5
2
3
3
6
3 2
= 2 · 2 = 2 = 23·2
2
25 : 2 =
n Faktoren
Für n ≧ 2 gilt
an : a = an−1
(I)
Wir definieren ap für ganze Exponenten p (p ∈ Z)
so, dass die Regel (I) weiterhin gilt:
(I) =⇒ a1 : a = a1−1 = a0
=⇒ a0 = 1
a1 : a = a : a = 1
a
−1
a−2
a−3
2−3
0
Zehnerpotenzen:
0,1n =
Aufgrund dieser Ergebnisse definiert man für
n ∈ N und a 6= 0:
n
= 10−n
340 000 000 = 3,4 · 108
a1 = a
a−1 =
a −1
1
a
b
=
0,000 034 = 3,4 · 10−5
b
a
Volumen eines Würfels mit der Kantenlänge
a = 3 · 10−15 m (Atomkern):
Vorsicht: 00 ist nicht definiert!
V = 3 · 10−15 m
Für a 6= 0, b 6= 0 und p, q ∈ Z gelten die
Potenzgesetze:
p
ap · bp = (ab)p
;
ap · aq = ap+q
;
a = 9,81
a p
a
=
bp
b
p
a
p−q
=a
aq
1
1
bn
= a n = an = n =
a
bn
b
a −n
b
n
b
=
a
q
ap = a(p
= 9 · 10−45 m3
m
= 9,81 ms−2
s2
−2
= a−6 b8 c−4
a3 b−4 c2
2 n
3n
x
3n n
3n n y
x y :
= xn y 4n
=
x
y
·
y3
x2n
n
b
a
−7
(a − b)3 · (2b − 2a)−7 = (a − b)3 · [(−2)(a − b)] =
1
= (a − b)3 · (−2)−7 · (a − b)−7 = −
128(a − b)4
33
Beachte folgende Reihenfolge bei der Berechnung:
q
3
Schreibweise von Benennungen:
(ap )q = apq
b
1
10
mal 10−n : Komma um n Stellen nach links
Spezialfälle:
a −n
mal 10n : Komma um n Stellen nach rechts
1
an
a−n =
a0 = 1
1 1
1
· 3 = 6 = 2−6 = 2(−3)·2
3
2 2
2
1
1
1 1
= (3 · 2)−5
= 5· 5 = 5 5 =
3 2
3 ·2
(3 · 2)5
=
3−5 · 2−5
1
1
=a
=a :a= = 1
a
a
1
1
= a−1−1 = a−1 : a = : a = 2
a
a
1
1
= a−2−1 = a−2 : a = 2 : a = 3
a
a
0−1
2
3
3
= 33·3 = 39 = 19 683
33 = 327 = 7 625 597 484 987
)
49
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Bruchgleichungen
a
= b,
x
Eine Gleichung, die die Unbekannte im Nenner eines Bruches enthält, heißt Bruchgleichung. Ist N0
die Menge der Nullstellen aller in der Gleichung
auftretenden Nenner, dann ist D = Q \ N0 die
Definitionsmenge der Gleichung.
Beim Umformen einer Bruchgleichung müssen
beide Gleichungsseiten mit Termen multipliziert
werden, die die Unbekannte enthalten. Daher
kann die umgeformte Gleichung eine andere Definitionsmenge haben als die ursprüngliche Gleichung. Es kann also Lösungen der umgeformten Gleichung geben, die keine Lösungen der ursprünglichen Gleichung sind.
=⇒
a 6= 0 und b 6= 0
a = bx
=⇒
x=
Für die anderen Fälle siehe S.25.
2
3
=
,
x−3
x−2
2(x − 2) = 3(x − 3)
2x − 4 = 3x − 9
x=5∈D
Die gefundenen Lösungen einer Bruchgleichung müssen auf Zugehörigkeit zur Definitionsmenge überprüft werden. Dies kann
durch Einsetzen der Lösungen in die Ursprungsgleichung geschehen.
D = Q \ {2; 3}
L = {5}
=⇒
5
2
=
,
x−3
x−3
2(x − 3) = 5(x − 3)
2x − 6 = 5x − 15
D = Q \ {3}
9 = 3x
Strategien zum Lösen von Bruchgleichungen:
x=3∈
/D
Eine Bruchgleichung hat immer die Form
Z1 (x)
Z2 (x)
Zn (x)
+
+ ... +
=0
N1 (x) N2 (x)
Nn (x)
=⇒
L=∅
2x + 3
x+1
11
+
−
=0
(2x − 6)(3x + 9) 6x − 18 3x + 9
11
2x + 3
x+1
+
−
=0
6(x − 3)(x + 3) 6(x − 3) 3(x + 3)
Um die Nenner zu beseitigen, multipliziert man
die Gleichung mit dem Hauptnenner.
Spezialfall: Über Kreuz Multiplizieren:
Z1 (x)
Z2 (x) · N1 (x)N2 (x)
=
N1 (x)
N2 (x) D = Q \ {−3; 3}. Multiplizieren der Gleichung
mit dem Hauptnenner HN = 6(x − 3)(x + 3):
11 + (2x + 3)(x + 3) − 2(x + 1)(x − 3) = 0
Z1 (x) · N2 (x) = Z2 (x) · N1 (x)
11 + 2x2 + 9x + 9 − 2x2 + 4x + 6 = 0
Beispiel:
R ist der Gesamtwiderstand von zwei parallel geschalteten Widerständen R1 und R2 :
=⇒
1
1
1
+
=
R
R1
R2
=⇒
R=
R1 R2
R1 + R2
L = {−2}
D = Q \ {−3; 3}. Multiplizieren der Gleichung
mit dem Hauptnenner HN = 6(x − 3)(x + 3):
Auflösen nach R1 :
1
1
R2 − R
1
= −
=
R1
R R2
R · R2
=⇒
13x = −26
x = −2 ∈ D
2x + 3
x+1
4
+
−
=0
(x − 3)(x + 3) 6x − 18 3x + 9
4
2x + 3
x+1
+
−
=0
(x − 3)(x + 3) 6(x − 3) 3(x + 3)
Auflösen nach R:
1
R1 + R2
=
R
R1 R2
a
b
24 + (2x + 3)(x + 3) − 2(x + 1)(x − 3) = 0
24 + 2x2 + 9x + 9 − 2x2 + 4x + 6 = 0
R R2
R1 =
R2 − R
=⇒
50
13x = −39
x = −3 ∈
/D
L=∅
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gebrochen rationale Funktionen
Beispiele von Polynomen:
Ein Term der Form
Grad
0
1
2
3
Pn (x) = a0 + a1 x + a2 x2 + a3 x3 + ... + an xn
mit an 6= 0 heißt Polynom n-ten Grades.
Eine Funktion, deren Funktionsterm ein Polynom
n-ten Grades ist, heißt ganzrationale Funktion nten Grades.
Lineare (affine) Funktionen sind ganzrationale
Funktionen ersten Grades.
Eine Funktion, deren Funktionsterm ein Quotient zweier Polynome ist, heißt gebrochen rationale
Funktion:
g(x) =
g(x) =
mit dem Zählerpolynom Z(x) und dem Nennerpolynom N (x).
Die maximale Definitionsmenge von g ist
x−1
,
x2 − 4
−5
Z(x) und N (x) können auch Produkte von Polynomen sein, da ein Produkt von Polynomen wieder ein Polynom ist.
x0 sei eine Nullstelle des Nenners, nicht aber des
Zählers: N (x0 ) = 0 und Z(x0 ) 6= 0. Für ein x
ganz in der Nähe von
x0 ist |N (x)| sehr klein
Z(x) und damit |g(x)| = N
(x) sehr groß. Je näher x
an x0 heranrückt, um so größer wird |g(x)|. Der
Graf von g nähert sich immer mehr an die Gerade
x = x0 an, wenn sich x an x0 annähert. Die zur yAchse parallele Gerade mit der Gleichung x = x0
ist eine senkrechte Asymptote von g, g hat bei x0
eine Polstelle oder kurz einen Pol.
g(x) =
−1
−1
1 2
5
x2 − 1
x2 − 1
=
,
4x − 8
4(x − 2)
10
x
Dg = Q \ {2}
5
2
1
−5
−1
−1
1 2
5
10
x
2x2 − 8
2(x2 − 4)
=
x2 + 3x
x(x + 3)
Dg = Q \ {−3; 0}
g(x) =
Grad(Z) < Grad(N ): Waagrechte Asymptote
y = 0.
y7
6
5
4
3
2
1
Grad(Z) > Grad(N ): |g(x)| wird immer größer.
Grad(Z) = Grad(N ):
+ ... +
y
y
Verhalten von g(x), wenn |x| immer größer wird
(|x| → ∞):
+ ... +
Dg = Q \ {−2; 2}
2
1
Die Nullstellen von g (g(x) = 0) sind die Nullstellen des Zählerpolynoms Z, die in Dg liegen.
an−1
x
bn−1
x
3
2
5
Dg = Q \ {Nullstellen von N }
an +
an xn + ... + a0
=
n
bn x + ... + b0
bn +
2x2 − x − 6
(x − 2)(2x + 3)
= 2
(3x − 9)(2x + 5)
6x − 3x − 45
5
Dg = Q \ − , 3
2
Nullstellen: x1 = 2, x2 = −
Z(x)
g : x → g(x) =
N (x)
g(x) =
Polynom
3
3−x
5x2 − 3x + 4
x3 − 7
a0
xn
b0
xn
−5
Die Teilbrüche werden immer kleiner, g(x) nähert
sich an abnn an (waagrechte Asymptote).
51
−1
−1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Wahrscheinlichkeit
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Ergebnisraum
Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
ZE: Einmal Würfeln“ =⇒
”
n = |Ω| = 6
Die Menge Ω aller Ergebnisse eines Zufallsexperiments ZE heißt Ergebnismenge oder Ergebnisraum des Zufallsexperiments. Die Anzahl n der
Ergebnisse ist die Mächtigkeit von Ω:
ZE: Zweimal Würfeln“ =⇒
”
Ω = {11, 12, 13, 14, 15, 16, 21, 22, 23, ... , 64, 65, 66}
n = |Ω|
23 z.B. bedeutet: Beim ersten Wurf 2, beim zweiten Wurf 3.
Ein mehrstufiges Zufallsexperiment (z.B. mehrmaliges Würfeln) besteht aus s Experimenten mit
den Ergebnisräumen Ω1 , Ω2 , ... , Ωs und ihren
Mächtigkeiten n1 = |Ω1 | bis ns = |Ωs |.
n = |Ω| = 6 · 6 = 36
Start
Ω1 = {ω11 , ω12 , ..., ω1n1 }
2❥ 3❥ 4❥ 5❥
Ω2 = {ω21 , ω22 , ..., ω1n2 }
... = ...
1❥
Ωs = {ωs1 , ωs2 , ..., ωsns }
1❥2❥3❥4❥5❥6❥
6❥
1❥2❥3❥4❥5❥6❥
Baumdiagramm eines Zufallsexperiments:
ZE: Drei Münzen werden geworfen“ =⇒
”
Ω = {KKK,KKZ,KZK,KZZ,ZKK,ZKZ,ZZK,ZZZ}
Start
ω11
Ω1
Ω2
Ωs
ω2n2
ω21
ωs1
ω1n1
ω12
|Ω| = 2 · 2 · 2 = 23 = 8
ω2n2
ω21
ωs1
ωsns
Start
K
ωsns
Z
K
Der Ergebnisraum des s-stufigen Zufallsexperiments ist Ω. Jedes Element ω ∈ Ω besteht aus
s Ergebnissen der Einzelexperimente:
K
ω = (ω1 , ω2 , ..., ωs )
K
Z
Z
K
Z
K
Z
Z
K
Z
ZE: Zehn Münzen werden geworfen“ =⇒
”
Ω = {KKKKKKKKKK, KKKKKKKKKZ,...
ZZZZZZZZZK, ZZZZZZZZZZ}
mit
ω1 ∈ Ω1 , ω2 ∈ Ω2 , ... , ωs ∈ Ωs
|Ω| = |Ω1 | · |Ω2 | · ... · |Ωs | = n1 · n2 · ... · ns
|Ω| = 210 = 1024
Ereignisse
ZE: Einmal Würfeln“
”
E: Die gewürfelte Zahl ist gerade.“
”
E = {2, 4, 6}
ZE ist ein Zufallsexperiment mit dem Ergebnisraum Ω.
Jede Teilmenge von Ω heißt Ereignis.
ZE: Zweimal Würfeln“
”
E: Die Augensumme ist 7.“
”
E = {16, 25, 34, 43, 52, 61}
E ⊂ Ω ist ein Ereignis. Das ZE wird einmal ausgeführt, das Ergebnis ist ω.
Das Ereignis E ist eingetreten, wenn ω ∈ E.
ZE: Einmal Würfeln“
”
Die Elementarereignisse sind {1}, {2}, {3}, {4},
{5} und {6}.
Ereignisse mit der Mächtigkeit eins heißen Elementarereignisse . Zu Ω gibt es genau n = |Ω|
Elementarereignisse.
52
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ist E ein Ereignis eines Zufallsexperiments mit
dem Ergebnisraum Ω, dann nennt man
Ereignis und Gegenereignis im Mengendiagramm.
Ω
E
E = Ω \ E = {ω | ω ∈ Ω und ω ∈
/ E}
E
das Gegenereignis von E. E besteht also aus allen
Ergebnissen, die nicht in E liegen.
ZE: Einmal Würfeln“
”
E: Die gewürfelte Zahl ist gerade.“
”
E: Die gewürfelte Zahl ist ungerade.“
”
Eine Menge Z = {E1 , E2 , ... , Er }
von Ereignissen heißt Zerlegung von Ω,
wenn
E1 ∪ E2 ∪ ... ∪ Er = Ω
Eine Zerlegung von Ω in
vier Ereignisse:
Ω = E1 ∪ E2 ∪ E3 ∪ E4
und der Durchschnitt von zwei beliebigen Mengen aus Z immer leer ist:
Ω
E4
E3
E1 ∩ E2 = ∅, E1 ∩ E3 = ∅
E1 ∩ E4 = ∅, E2 ∩ E3 = ∅
Ei ∩ Ek = ∅ für i 6= k
E2
E1
E2 ∩ E4 = ∅, E3 ∩ E4 = ∅
Beispiele: Ist E 6= ∅ ein beliebiges Ereignis, dann
ist Z = {E, E} eine Zerlegung von Ω.
Beim Amerikanischen Roulette besteht der Ergebnisraum aus den Zahlen von null bis 36 und
der Doppelnull: Ω = {00, 0, 1, 2, 3, 4, ... , 36} mit
|Ω| = 38. Eine mögliche Zerlegung von Ω ist
Die Menge aller Elementarereignisse von Ω ist eine Zerlegung von Ω.
Z = {{00, 0}, {x|1 ≦ x ≦ 18}, {x|19 ≦ x ≦ 36}}
Die Potenzmenge
A = {1, 2}, |A| = 2
Die leere Menge ∅ ist Teilmenge von jeder Menge
und somit bei jedem Zufallsexperiment ein Ereignis. Da die leere Menge kein Element enthält,
kann das Ereignis ∅ niemals eintreten:
P(A) = {∅, {1}, {2}, {1, 2}}
|P(A)| = 4 = 22 = 2|A|
B = {1, 2, 3}, |B| = 3
∅ heißt das unmögliche Ereignis.
P(B) = {∅, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3}, {1, 2, 3}}
|P(B)| = 8 = 23 = 2|B|
Da jede Menge eine Teilmenge von sich selbst
ist, ist auch Ω ein Ereignis. Da jedes mögliche
Ergebnis ein Element von Ω ist, tritt Ω immer
ein:
Ω heißt das sichere Ereignis.
Beim Europäischen Roulette besteht der Ergebnisraum aus den Zahlen von null bis 36:
Ω = {0, 1, 2, 3, 4, ... , 36}
Die Menge aller Teilmengen einer Menge A heißt
Potenzmenge von A:
mit |Ω| = 37. In den Spielregeln sind einige Ereignisse definiert, auf die man sein Geld setzen
kann, wie z.B. alle geraden Zahlen“, alle unge”
”
raden Zahlen“, erstes Dutzend“, usw. Das Spiel
”
ist aber noch fast beliebig erweiterbar, denn es
gibt
|P(Ω)| = 237 = 137 438 953 472
P(A) = {T | T ⊂ A}
|P(A)| = 2|A|
Die Menge aller Ereignisse eines Zufallsexperiments mit dem Ergebnisraum Ω ist die Potenzmenge P(Ω) mit
der Mächtigkeit
verschiedene Ereignisse.
|P(Ω)| = 2|Ω|
53
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Relative Häufigkeit
ZE: Werfen eines Würfels“, N = 600
”
E1 : Werfen einer geraden Zahl“
”
E2 : Werfen einer ungeraden Zahl“
”
1
2
3
4
5
H
91
89
110 115
97
h in % 15,2 14,8 18,3 19,2 16,2
Ein Zufallsexperiment wird N -mal durchgeführt. Tritt das Ereignis E dabei H(E)
mal ein, dann heißt H(E) die absolute
Häufigkeit von E und
h(E) =
H(E)
N
6
98
16,3
H(E1 ) = 89 + 115 + 98 = 302
H(E2 ) = 91 + 110 + 97 = 298
die relative Häufigkeit von E.
302
= 50,3 % = h(2) + h(4) + h(6)
600
298
= 49,7 % = h(1) + h(3) + h(5)
h(E2 ) =
600
H(1) + H(2) + H(3) + H(4) + H(5) + H(6) = 600
h(E1 ) =
0≦H ≦N
=⇒
0≦h≦1
H(∅) = 0
=⇒
h(∅) = 0
H(Ω) = N
=⇒
h(Ω) = 1
h(1)+h(2)+h(3)+h(4)+h(5)+h(6) = 1 = 100 %
Die absolute bzw. relative Häufigkeit eines Ergebnisses ω ist gleich der Häufigkeit des Elementarereignisses {ω} (vereinfachte Schreibweise):
H(ω) = H({ω}),
Spezialfälle des Zerlegungssatzes:
Ω = {ω1 , ω2 , ... , ωn }
h(ω) = h({ω})
=⇒
H(Ω) = H(ω1 ) + H(ω2 ) + ... + H(ωn ) = N
Ist Z = {E1 , E2 , ... , Er } eine Zerlegung
von Ω, dann gilt (Zerlegungssatz)
h(Ω) = h(ω1 ) + h(ω2 ) + ... + h(ωn ) = 1
H(E1 ) + H(E2 ) + ... + H(Er ) = N
h(E) + h(E) = 1
h(E1 ) + h(E2 ) + ... + h(Er ) = 1
Ein Beispiel für die Stabilisierung der relativen
Häufigkeit:
Die absolute bzw. relative Häufigkeit eines
Ereignisses E = {ω1 , ω2 , ... , ωr } ist gleich
der Summe der Häufigkeiten der Elementarereignisse von E:
ZE: Werfen einer Münze“
”
Das ZE wird 100, 10 000 und 1 000 000 mal durchgeführt, der erwartete Wert für die relativen
Häufigkeiten ist 0,5 = 50 %. Die relative Abweichung vom erwarteten Wert ist δrel :
H(E) = H(ω1 ) + H(ω2 ) + ... + H(ωr )
h(E) = h(ω1 ) + h(ω2 ) + ... + h(ωr )
N
100
Beweis:
H(E)
H(ω1 ) + ... + H(ωr )
=
=
N
N
H(ωr )
H(ω1 ) H(ω2 )
+
+ ... +
=
=
N
N
N
= h(ω1 ) + h(ω2 ) + ... + h(ωr )
h(E) =
104
106
Für sehr große Versuchszahlen (N → ∞)
stabilisieren sich die relativen Häufigkeiten eines Ereignisses E um einen festen
Wert, die Breite des Intervalls, in dem
z.B. 90 % der relativen Häufigkeiten liegen, wird immer kleiner (Gesetz der großen
Zahlen). Den Stabilisierungswert der relativen Häufigkeit von E nennt man die
Wahrscheinlichkeit des Ereignisses E.
H
h
δrel
H
h
δrel
H
h
δrel
K
44
44 %
−12 %
5041
50,41 %
+0,82 %
500620
50,062 %
+0,124 %
Z
56
56 %
+12 %
4959
49,59 %
−0,82 %
499380
49,938 %
−0,124 %
Die Wahrscheinlichkeit P (E) eines Ereignisses E ist der Stabilisierungswert von
h(E) mit N → ∞.
In der Realität können Wahrscheinlichkeiten nur
näherungsweise bestimmt werden, indem man ein
Zufallsexperiment sehr oft wiederholt!
54
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Vierfeldertafel
Oft wird eine Menge, z.B. ein Ergebnisraum Ω,
nach zwei Kriterien zerlegt:
Ω
Ω
Ω
B
Ω = A∪A =B ∪B
A
A∩B
A
A∩B
B
Die Mächtigkeiten der Teilmengen schreibt man
übersichtlich in einer Vierfeldertafel zusammen:
Ω
A
A
B
|A ∩ B|
|A ∩ B|
|B|
B
|A ∩ B|
|A ∩ B|
|B|
|A|
|A|
|Ω|
Vierfeldertafel der Anteile (relativen Häufigkeiten), das fett Gedruckte sind die gegebenen Werte (rechts unten muss 100 % stehen), die anderen
Werte folgen aus den Summenregeln:
|A ∩ B| + |A ∩ B| = |B|
|A ∩ B| + |A ∩ B| = |B|
|A| + |A| = |Ω|
|A ∩ B| + |A ∩ B| = |A|
|A ∩ B| + |A ∩ B| = |A|
|B| + |B| = |Ω|
Dividiert man jeden Eintrag in der Vierfeldertafel
für Mächtigkeiten durch |Ω|, dann erhält man die
Vierfeldertafel für Anteile bzw. relative Häufigkeiten:
Ω
B
B
S
20 %
10 %
30 %
S
40 %
30 %
70 %
60 %
40 %
100 %
Vierfeldertafel
Häufigkeiten):
der
Mächtigkeiten (absoluten
10 % · Gesamtzahl = 3
=⇒
Gesamtzahl = 30
Ω
A
A
B
a
b
a+b
Ω
B
B
B
c
d
c+d
S
6
3
9
a+c
b+d
a+b+c+d=1
S
12
9
21
18
12
30
Die Wahrscheinlichkeit
In Anlehnung an die Regeln für relative Häufigkeiten definiert man die Wahrscheinlichkeit axiomatisch, d.h. durch die Vorgabe von nicht beweisbaren Fundamentalsätzen (Axiomen). Allerdings
können wir an dieser Stelle noch kein vollständiges und minimales Axiomensystem einführen.
Jedem Ereignis E eines Zufallsexperiments mit
dem Ergebnisraum Ω ist eine Wahrscheinlichkeit
P (E) zugeordnet, die folgenden Regeln genügt:
P (Ω) = 1
A∩B
In einer Klasse mit Buben (B) und Mädchen (B)
gibt es Sportler (S) und Nichtsportler (S). Ein
Fünftel der Klasse sind sportliche Buben, 30 %
der Klasse unsportliche Mädchen. Insgesamt sind
70 % unsportliche Kinder in der Klasse und drei
sporttreibende Mädchen.
Dabei gelten die Summenregeln:
P (∅) = 0
A∩B
0 ≦ P (E) ≦ 1
Auch für Wahrscheinlichkeiten verwenden wir die
vereinfachte Schreibweise
Wahrscheinlichkeiten liegen immer im Intervall von 0 bis 1 bzw. von 0 bis 100 %.
P ({ω}) = P (ω)
Ist Z = {E1 , E2 , ... , Er } eine Zerlegung
von Ω, dann gilt (Zerlegungssatz)
Die Wahrscheinlichkeit des Ergebnisses ω ist also
gleich der Wahrscheinlichkeit des Elementarereignisses {ω}.
P (E1 ) + P (E2 ) + ... + P (Er ) = 1
55
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Spezialfälle des Zerlegungssatzes:
Ω = {ω1 , ω2 , ... , ωn }
Zusammenhang zwischen Wahrscheinlichkeit und
Experiment:
=⇒
Wird ein Zufallsexperiment N -mal durchgeführt, dann ist die relative Häufigkeit
des Eintretens eines Ereignisses E ungefähr
gleich der Wahrscheinlichkeit des Ereignisses:
H(E)
≈ P (E)
h(E) =
N
Für die absolute Häufigkeit gilt also
P (Ω) = P (ω1 ) + P (ω2 ) + ... + P (ωn ) = 1
P (E) + P E = 1
oder
P E = 1 − P (E)
H(E) ≈ N · P (E)
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses
E = {ω1 , ω2 , ... , ωr } ist gleich der Summe
der Wahrscheinlichkeiten der Elementarereignisse von E:
N · P (E) nennt man den Erwartungswert
der absoluten Häufigkeit von E.
Die relative Abweichung
P (E) = P (ω1 ) + P (ω2 ) + ... + P (ωr )
δrel =
h(E) − P (E)
H(E) − N · P (E)
=
P (E)
N · P (E)
ist umso kleiner, je größer N ist.
Laplace-Experimente
Ein Würfel, bei dem jede Zahl mit der gleichen
Wahrscheinlichkeit geworfen wird, heißt LaplaceWürfel oder kurz L-Würfel. Beim Laplace-Würfel
ist die Wahrscheinlichkeit eines Elementarereignisses p = 61 . Wird ein Laplace-Würfel z.B.
N = 600 mal geworfen, erwartet man , dass jede
Zahl N p = 100 mal erscheint.
Ein Zufallsexperiment, bei dem jedes
Ergebnis (Elementarereignis) die gleiche Wahrscheinlichkeit p besitzt, heißt
Laplace-Experiment.
Für ein Ergebnis ω eines Laplace-Experiments
mit n = |Ω| folgt aus dem Zerlegungssatz
Wird das abgebildete Glücksrad
einmal
gedreht,
bleibt es bei jedem
Kreissektor
mit der gleichen
Wahrscheinlichkeit
p stehen. Da es 12
Sektoren sind, ist
1
.
p = 12
P (ω1 ) + P (ω2 ) + ... + P (ωn ) = 1
| {z } | {z }
| {z }
|
p
p
{z
p
n·p
1
1
p = P (ω) = =
n
|Ω|
}
Für ein Ereignis E = {ω1 , ω2 , ... , ωr } eines
Laplace-Experiments folgt dann
0
2
3
5
1
2
6
3
3
4
2
Es :
Die Zahl s erscheint.“
”
Da die 3 viermal und die 2 dreimal vorkommt, ist
|E3 | = 4 und ist |E2 | = 3:
r
|E|
P (E) = =
= p · |E|
n
|Ω|
Bei einem Zufallsexperiment ist n = |Ω| die Zahl
der möglichen und |E| die Zahl der für das Eintreten von E günstigen Ergebnisse. Für ein LaplaceExperiment gilt also
P (E) =
3
P (E2 ) =
1
3
= ,
12
4
P (E3 ) =
4
1
=
12
3
P (E0 ) = P (E1 ) = P (E4 ) = P (E5 ) = P (E6 ) =
Zahl der Günstigen“
|E|
=”
Zahl der Möglichen“
|Ω|
”
Probe (Zerlegungssatz):
P (E0 ) + P (E1 ) + P (E2 ) + P (E3 ) + P (E4 )+
4
3
1
+
+
=1
+ P (E5 ) + P (E6 ) = 5 ·
12 12 12
56
1
12
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Berechnung von Mächtigkeiten
Um Laplace-Wahrscheinlichkeiten zu berechnen,
muss man die Mächtigkeiten vom Ergebnisraum
Ω und von Ereignissen bestimmen.
A1
Aus s Mengen A1 , A2 , ... , As wird je ein Element gewählt und geordnet nebeneinander gestellt: Man bildet ein geordnetes s-Tupel
A2
As
( a1 , a2 , ... ,as )
Bildung eines s-Tupels.
(a1 , a2 , ... , as )
Geordnet bedeutet, dass das erste Element aus
A1 (a1 ∈ A1 ), das zweite aus A2 ist usw.
a1 , a2 ,
Mit den Elementen aus den s Mengen
A1 , A2 , ... , As kann man genau
1 2 3
|A1 | · |A2 | · ... · |As |
an
n
verschiedene s-Tupel bilden (Zählprinzip).
Verteilung von n verschiedenen Objekten auf n
Plätze.
Verteilen sich n Personen auf n nummerierte
Plätze, dann hat die erste Person n Plätze zur
Auswahl, die zweite noch n − 1 Plätze (einer ist
schon besetzt) usw. Nach dem Zählprinzip gibt
es dann n · (n − 1) · (n − 2) · ... · 1 verschiedene
Anordnungen.
Beispiel: Lotto 6 aus 49“
”
Aus einer Urne mit 49 Kugeln werden 6 Kugeln
ohne Zurücklegen gezogen. Das geht auf
m = 49 · 48 · 47 · 46 · 45 · 44 = 10 068 347 520
n unterscheidbare Objekte lassen sich auf
Arten. Die Wahrscheinlichkeit für das Ziehen ei1
.
ner bestimmten Zahlenreihenfolge ist also p = m
Beim Lotto ist es gleichgültig, in welcher Reihenfolge die Zahlen gezogen werden. Für jede gezogene Zahlenmenge (z.B. {1, 2, 3, 4, 5, 6}) gibt es 6!
verschiedene Möglichkeiten, wie sie gezogen werden kann. Die Wahrscheinlichkeit für das Ziehen
einer bestimmten Zahlenmenge (Ereignis E) ist
also
n! = 1 · 2 · 3 · ... · (n − 1) · n
verschiedene Arten auf n Plätze verteilen.
n! spricht man n Fakultät“.
”
0! = 1
1! = 1
2! = 1 · 2 = 2
3! = 1 · 2 · 3 = 6
P (E) =
4! = 1 · 2 · 3 · 4 = 24
1
6!
=
10 068 347 520
13 983 816
Damit gibt es 13 983 816 verschiedene Arten,
einen Lottoschein auszufüllen.
Eine Urne enthält n Kugeln, die mit den Zahlen
von 1 bis n bedruckt sind.
Eine andere Formulierung der Urnenregeln:
Aus den Elementen einer Menge der
Mächtigkeit n kann man ns geordnete sTupel mit Wiederholung bilden.
Aus der Urne zieht man der Reihe nach s
Kugeln, notiert die Zahl und legt sie jedesmal wieder zurück (Ziehen mit Zurücklegen). Da man bei jedem Ziehen n Möglichkeiten hat, geht das auf ns Arten.
Mit Wiederholung“ bedeutet, dass das gleiche
”
Element mehrmals vorkommen darf.
Aus den Elementen einer Menge der
Mächtigkeit n kann man
Aus der Urne zieht man der Reihe nach
s Kugeln, ohne sie wieder zurück zu legen
(Ziehen ohne Zurücklegen). Das geht auf
n(n − 1)(n − 2) ... (n − s + 1)
n(n − 1)(n − 2) ... (n − s + 1)
geordnete s-Tupel ohne Wiederholung bilden.
Arten.
57
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ähnlichkeit
Die zentrische Streckung
Die wichtigsten Beweise für die links stehenden
Sätze:
Eine zentrische Streckung (Z|k) mit dem Zentrum
Z und dem Streckungsfaktor k 6= 0 ordnet jedem
Punkt P der Ebene einen Bildpunkt P′ nach folgenden Regeln zu:
P′ ∈ ZP
Z
P′ ∈ [ZP für k > 0
Z
P
P′
0<k<1
P
Z
B
A1
Z
′
P′ ∈
/ [ZP für k < 0
B′
P′
k>1
P
ZP’ = k · ZP
Die zentrische Streckung (Z|k) bildet A auf A′ und B
auf B′ ab, d.h. ZA′ = k · ZA und ZB′ = k · ZB. Für
die Dreiecksflächen gilt:
P
k<0
h1
A2
A
Eine zentrische Streckung bildet eine Gerade g
auf eine dazu parallele Gerade g ′ ab, d.h. die Bildpunkte aller Punkte einer Geraden g bilden wieder eine Gerade g ′ , die zu g parallel ist.
B′
h4
A′
h3
B
A3
A1
h2
Z
A
Eine zentrische Streckung (Z|k) bildet
eine Strecke [AB] auf eine dazu parallele
Strecke [A’B’] mit A’B’ = |k| · AB ab.
A′
h3
1
1
ZA′ h1 = k · ZAh1 = kA1
2
2
1
1 ′
A1 + A3 = AZB′ A = ZB h2 = k · ZBh2 = kA1
2
2
1
1
=⇒ A2 = A3 =⇒
ABh3 = ABh4
2
2
=⇒ h3 = h4 =⇒ AB k A′ B′
A1 + A2 = AZA′ B =
Eine zentrische Streckung (Z|k) bildet einen Kreis k(M|r) auf einen Kreis
k ′ (M′ |r′ ) mit r′ = |k| · r ab.
Eine zentrische Streckung (Z|k) bildet
eine Figur mit der Fläche A auf eine
Figur mit der Fläche A′ = k 2 A ab.
(Z|k)
(Z|k)
A −→ A′ , B −→ B′
g = AB, g ′ = A′ B′
g′
(Z|k)
Q ∈ g, Q −→ Q′
A′ Q′ k AQ k AB k A′ B′
=⇒ Q′ ∈ g ′
Eine zentrische Streckung ist winkeltreu, d.h. eine Figur wird auf eine Bildfigur mit gleichen Winkeln abgebildet.
B′
g
B
Q′
Q
Z
A
Eine zentrische Streckung (Z|k) mit k =
−1 ist eine Punktspiegelung an Z.
1
1
ZA′ h = k · ZA h = k · AZAB′ = k2 A1
2
2
1
1
AZA′ B′ = A′ B′ · ZQ′ = k · A′ B′ · ZQ =⇒
2
2
1
1
k2 · AB · ZQ = k · A′ B′ · ZQ =⇒
2
2
′
AZA′ B′ =
Zur Punktspiegelung siehe S. 36.
A′
g k g ′ und h k h′
Q′
A′ B′ = k · AB
α′
B
Q
A
A3
B′
M
M
r
Q
α
B′
P′
P
B
ϕ
Z
B
Z
h′
g
k>1
Z
h
g′
A
r′
Z
Z
′
A′
k<0
α′ = ϕ = α
58
h
A1
A
B
Q′
=⇒
A′
A′
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Strahlensätze
Zwei sich in Z schneidende Geraden g und h werden von mehreren parallelen Geraden geschnitten
(AB k CD k EF):
g
b
C′
c
Die Streckenlängen auf g verhalten sich wie
die entsprechenden Streckenlängen auf h:
′
ZB
ZB
=
,
ZA
ZA′
′
a
ZA
ZA
=
ZC
ZC′
y
x
z
′
ZA
ZA
= ′ ′,
AB
AB
A
Z
a′
c
′
B
A′
b′
C
h
B′
Anwendungen der Strahlensätze:
Die Verhältnisse einer Strecke auf g zu einer
entsprechenden Strecke auf h sind alle gleich:
ZA
′
ZA
=
ZB
ZB
′
=
AB
′
AB
=
′
ZC
ZC
AC
=
′
′
AC
′
=
Im ∆ABC ist D der Mittelpunkt von [AC] und E
der Mittelpunkt von [BC]. S
ist der Schnittpunkt der Seitenhalbierenden [AE] und
[BD].
Aus den Strahlensätzen
CA
= CD
= 12
folgt: AB
DE
BC
B ′ C′
Die Längen der Abschnitte auf den Parallelen verhalten sich wie die entsprechenden
Strecken von Z zu den Parallelen:
BB
′
AA′
=
′
ZB
ZB
=
,
ZA
ZA′
CC
′
AA′
=
ZC
ZC
=
ZA
ZA′
Ist T den Schnittpunkt T
von AE und EF, dann folgt
genauso:
′
ZB
=
A
B
c
2
3
2
3
· AE
· AT
E
D
S
A
B
F
Die drei Seitenhalbierenden eines Dreiecks
schneiden sich in einem Punkt, dem Schwerpunkt
S, der die Seitenhalbierenden im Verhältnis 2 : 1
teilt.
ZA
ZA′
Nebenstehende Abbildung
zeigt, wie man eine Strecke
[AB] durch Konstruktion im
Verhältnis x : y teilt::
x+4
4
20
4
=1+ =
=
x
x
15
3
4
1
=
=⇒ x = 12
x
3
y
15
y
=
=
=⇒ y = 18
x
12
10
y
18
z
= =
=⇒ x = 6
4
x
12
B
A
B′
x
B
A
T
y
x
AT
=
y
TB
ZB
ZB′
Wenn
=
, dann ist AB k A′ B′ .
ZA
ZA′
A′
S
Also ist T = S.
Z = g ∩ h, A ∈ g, A′ ∈ [ZA, B ∈ h, B′ ∈ [ZB
Z
AS = 2 · SE =
AT = 2 · TE =
ZB
ZB′
a+b
a′ + b ′
=
=⇒
=
a
a′
ZA
ZA′
b
b′
b′
b
= ′
=⇒ 1 + = 1 + ′ =⇒
a
a
a
a
Eine Umkehrung der Strahlensätze (folgt direkt aus den Eigenschaften der zentrischen
Streckung):
Nicht jede Umkehrung der
Strahlensätze ist richtig:
′
ZB
= BB ′ folgt nicht
Aus ZA
AA
AB k A′ B′ !
E
C
Die zentrische Streckung (Z|k) bildet A auf B
ZB
ab, d.h. k = ZA
. Das Bild von A′ unter dieser Streckung sei B′′ . Da BB′′ k AA′ (Streckung)
und BB′ k AA′ (Voraussetzung), ist B′′ = B′ . Aus
den Eigenschaften der zentrischen Streckung folgt
dann
ZB
ZB′
BB′
=
k=
=
ZA
ZA′
AA′
ZB
m
1
SD
SE
DE
=
=
=
2
SB
SA
AB
=⇒
=⇒
D
Die Mittellinie [DE] in einem Dreieck ist parallel
zur Grundlinie [AB] und DE = 12 AB.
′
Beweis der Strahlensätze:
ZB
ZB′
=
ZA
ZA′
C
w
15
15
=
=
=⇒ x = 12,5
10
x
12
B′′
59
4
15
x
w
15 20
10
y
z
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 8
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Ähnlichkeit
Zwei Figuren F und F ′ heißen ähnlich
zueinander (F ∼ F ′ ), wenn es eine zentrische Streckung (Z|k) gibt, die F in
eine zu F ′ kongruente Figur F ′′ abbildet.
′
F ∼ F ′ , es gibt F ′′ ∼
= F mit
Z
α = α′ = α′′ , δ = δ ′ = δ ′′ usw.
A′ B′ = A′′ B′′ = k · AB usw.
A ′ B′
AB
B′ C′
BC
=
=
C′ D ′
CD
A α
D′
F
′′
A′′ α
C′
δ′
δ ′′
F′
F ′′
B′′
Ähnlichkeitssätze für Dreiecke:
Zwei Dreiecke sind bereits ähnlich,
wenn sie in zwei Winkeln übereinstimmen (ww).
∆ABC ∼ ∆EFD
a
b
c
= =
e
f
d
γ
b
=⇒
A′ B′
B ′ C′
C′ A′
=
=
=k
AB
BC
CA
ϕ F
ε
B
c
e
δ
f
β
α
A
A′
Wir betrachten ∆ABC und ∆A′ B′ C′ mit
D
a
C′′
γ
Zwei Dreiecke sind bereits ähnlich,
wenn die drei Seitenverhältnisse gleich
sind (sss).
α = ϕ, β = δ, γ = ε
γ
6
D
δ
4
ε
B
8
A
C
9
E
Zwei Dreiecke sind bereits ähnlich,
wenn sie in einem Winkel und den
Verhältnissen der anliegenden Seiten
übereinstimmen (sws).
∆ABC ∼ ∆DFE
24
=⇒
α = δ, β = ϕ, γ = ε = 9◦
◦
9
β
α
A
C′
D
δ
ϕ F
9◦
B
α
A
21
∆ABC ∼ ∆DFE
=⇒
α = δ, β = ϕ, γ = ε
D
δ
C
γ
15
5
8◦ F
8
8◦
α
A
a
B
β
B
β ′′
B′′
B′
α′
∆A′ B′ C′ wird durch Drehung und Verschiebung
in ∆AB′′ C′′ überführt (∆AB′′ C′′ ∼
= ∆A′ B′ C′ )
′′
′′
mit B ∈ [AB und C ∈ [AC. Wegeb β ′′ = β ist
B′′ C′′ k BC. Die zentrische Streckung (A|k) mit
′ ′
B
k = AAB
führt also ∆ABC in ∆AB′′ C′′ über,
′ ′ ′
d.h. ∆A B C ∼ ∆ABC.
Zwei Dreiecke sind bereits ähnlich,
wenn sie in zwei Seitenverhältnissen
und dem Gegenwinkel der größeren Seite übereinstimmen (ssW).
24
β′
A′
E
b
c
= = 3, β = ϕ =⇒
f
e
γ′
γ ′′
C
γ
e
28 18
c
A′
Wir betrachten ∆ABC und ∆A′ B′ C′ mit
α = α′ und β = β ′ .
C
C
α′
′′
′′
a
b
4
= = , γ = ϕ =⇒
d
f
3
γ′
B′′
B
A
′
Eine Streckung (Z|k) bildet ∆ABC auf ∆A′′ B′′ C′′
mit A′′ B′′ = kAB = A′ B′ , B′′ C′′ = kBC = B′ C′
und C′′ A′′ = kCA = C′ A′ ab. Nach dem sssSatz ist ∆A′′ B′′ C′′ ∼
= ∆A′ B′ C′ und damit nach
Definition ∆ABC∼ ∆A′ B′ C′ .
12
ϕ F
6
β
α
A
Z
β′
γ ′′
C
C
B′
d
E
f
d
e
= = = 1,5 =⇒
a
b
c
∆ABC ∼ ∆FDE =⇒
B′
α′
C′′
C
=k
D′′
C
B
In ähnlichen Figuren sind entsprechende Winkel und entsprechende Streckenverhältnisse gleich.
=⇒
D′ A′
DA
D
δ
Zwischen ähnliche Figuren schreibt man das Zeichen ∼.
α = ε, β = ϕ
=
ε
d
E
60
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Algebra
Definitionen und Regeln
Beispiele
Binomische Formeln
(x + 2y)2 = x2 + 4xy + 4y 2
2
b
b2
a−
= a2 − ab +
2
4
Binomische Formeln:
(a + b)2 = a2 + 2ab + b2
(a − b)2 = a2 − 2ab + b2
982 = (100 − 2)2 = 1002 − 2 · 2 · 100 + 22 = 9604
(a + b)(a − b) = a2 − b2
x2 − 9 = x2 − 32 = (x − 3)(x + 3)
Die binomischen Formeln verwendet man
hauptsächlich zum Faktorisieren von Summen.
Beispiele:
9x2 − 3xa +
x2 − 1 = x2 − 12 = (x − 1)(x + 1)
x4 − 1 = x2
4x2 − 12x + 9
(2x)2 − 2 · 3 · 2x + 32
=
=
2
8x − 18
2((2x)2 − 32 )
2
− 12 = x2 − 1
= (x − 1)(x + 1) x2 + 1
2
=
a2
a a 2
=
= (3x)2 − 2 · 3x · +
4
2
2
a 2
= 3x −
2
2x − 3
(2x − 3)
=
2(2x − 3)(2x + 3)
2(2x + 3)
Logische Zeichen:
x2 + 1 =
∧: und“, ∨: oder“
”
”
Rationale Zahlen
Die Menge der rationalen Zahlen:
na
o
Q=
a ∈ Z ∧ b ∈ Z \ {0}
b
In der folgenden Formel stehen z1 bis zn für Ziffern (siehe auch S.16):
0,z1 ...zn =
Zählt man die endlichen Dezimalbrüche zu
den periodischen Dezimalbrüchen (z.B. wegen
0,123 = 0,1230 = 0,1229), dann gilt:
0,9 =
9
3
123
1
41
= 1, 0,3 = = , 0,123 =
=
9
9
3
999
333
Q = {aller periodischen Dezimalbrüche}
23 + 45
2345 − 23
23 + 0,45
99
=
=
=
1000
1000
99000
2322
129
=
=
99000
5500
Zwischen zwei beliebigen rationalen Zahlen liegen noch unendlich viele weiter rationale Zahlen (die rationalen Zahlen liegen dicht auf der Zahlengeraden).
q∈Q\Z
z1 ...zn
10n − 1
0,02345 =
x2 = 4 ·
2
=⇒ q ∈ Q \ Z
1
2
=2
x
x
Es gibt also einen
Punkt x auf der
Zahlengeraden mit
Wegen 12 = 1 < 2 und 22 = 4 > 2 hat die Gleichung x2 = 2 keine ganze Lösung. Wenn x ∈ Q,
dann muss also x ∈ Q \ Z sein. Damit ist aber
auch x2 ∈ Q \ Z, d.h. x2 6= 2. Es gibt also weder
eine ganze noch eine nichtganze rationale Zahl,
deren Quadrat 2 ist. Die Menge der rationalen
Zahlen ist unvollständig.
1
2
1
2
1
2
1
2
x 1
x
x2 = 2
1
x2 = 2
=⇒
x∈
/ Z und x2 ∈ Z
61
x∈
/Q
=⇒
x∈
/Q
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Reelle Zahlen
Ein unendlicher, nichtperiodischer Dezimalbruch
heißt irrational.
r = 0,101001000100001... ist nichtperiodisch, also
irrational.
R = Q ∪ {aller irrationalen Zahlen}
Es gibt einen Punkt x > 0 auf der Zahlengeraden
mit x2 = 2. Da x ∈
/ Q, ist x irrational.
Intervallschachtelung für x mit x2 = 2:
R = {aller Dezimalbruche}
x
R \ Q = {aller irrationalen Zahlen}
0
R ist vollständig, d.h. jeder reellen Zahl
entspricht ein Punkt auf der Zahlengeraden und umgekehrt.
1,4 x
12 = 1 < 2 < 4 = 22
1,42 < 2 < 1,52
|{z}
|{z}
Durch eine Intervallschachtelung kann man für
jeden Punkt auf der Zahlengeraden den dazugehörenden Dezimalbruch konstruieren.
1,96
Die Quadratwurzel
√
4 = 2,
Definition und grundlegende Eigenschaften
für a > 0
für a = 0
für a < 0
1,41 < x < 1,42
2,0164
r
4
16
= ,
81
9
usw.
√
106 = 103
x2 = 9
=⇒
x2 = 0
L = {−3, 3} oder kurz x = ±3
=⇒
L = {0}
2
x = −4
√
√
x2 = a ⇐⇒ |x| = a ⇐⇒ x = ± a
(
=⇒
Die Wurzel aus einer natürlichen Zahl ist
entweder natürlich oder irrational.
√
22 < 7 und 32 > 7 =⇒
7∈
/N
√
7 ist also irrational.
Für a ≧ 0 gilt:
√
a2 =
1<x<2
1,4 < x < 1,5
Wurzel ziehen“ heißt auch radizieren.
”
√
a ⇐⇒ x2 = a ∧ x ≧ 0
 √ √

{− a, a}
x2 = a =⇒ L = {0}


{}=∅
=⇒
=⇒
√
−9 nicht definiert
Für a ≧ 0 heißt die nichtnegative Lösung
der Gleichung x2 = a die Quadratwurzel
(kurz Wurzel) aus a, a heißt Radikand.
√ 2
a =a
1,5
2,25
1,412 < 2 < 1,422
| {z }
| {z }
1,9881
a≧0: x=
2
1
=⇒
L = {} = ∅
√
p
√
√
52 = 25 = 5,
(−5)2 = 25 = 5 = | − 5|
p
√
x2 − 4x + 4 = (x − 2)2 = |x − 2|
a
für a ≧ 0
−a für a < 0
3=
√
a2 = |a|
√
p
32 , −7 = − (−7)2
Die Signumfunktion (Vorzeichenfunktion):

y

für x > 0
sgn(x)
1
1
sgn(x) = 0
für x = 0

0

−1 für x < 0
Unter die Wurzel ziehen:
(√
a2
für a ≧ 0
√
a=
2
− a für a < 0
−1
r
1
x2
= sgn(x)
= sgn(x)
x
2
x
x2
√
√
√
x6 = sgn(x) x6
x2 = x4 , x3 = sgn x3
r
√
a = sgn(a) a2
|x| = x · sgn(x)
62
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
√
x = 7 mit Startwert x1 = 2:
1
1
7
7
= 2,75
x2 = · x1 +
= · 2+
2
x1
2
2
Numerische Wurzelberechnung
√
x1 sei ein Näherungswert für a. Wir suchen
einen besseren Wert x2 = x1 + ∆x:
2,752 = 7,5625
7
1
= 2,647727273
x3 = · x2 +
2
x2
x22 = (x1 + ∆x)2 = x21 + 2x1 ∆x + ∆x2 = a
Wenn x1 schon ein einigermaßen guter Näherungswert ist, dann gilt |∆x| ≪ x1 und damit
auch ∆x2 ≪ |2x1 ∆x|. In obiger Summe kann man
also ∆x2 vernachlässigen:
x23 = 7,010459711
1
7
x4 = · x3 +
= 2,645752048
2
x3
x1
a
−
2x1
2
1
a
x2 = x1 + ∆x =
x1 +
2
x1
x21 + 2x1 ∆x = a =⇒ ∆x =
=⇒
x23 = 7,000003902
1
7
x5 = · x4 +
= 2,645751311
2
x4
x23 = 7,000000000
√
7 ≈ 2,645751311
=⇒
Den besseren Wert x2 kann man mit der gleichen
Formel wieder verbessern usw. (Rekursion).
√
Rekursionsformel zur Berechnung von x = a:
xn+1
1
=
2
p
p
0,1
1,1 = 1 + 0,1 ≈ 1 +
= 1,05
2
√
TR: 1,1 = 1,04880885
a
xn +
xn
(Newtonverfahren)
δrel =
Mit der quadratischen Näherung:
p
0,1 0,12
−
= 1,04875
1,1 ≈ 1 +
2
8
1,04875 − 1,04880885
δrel =
= −5,6 · 10−5
1,04880885
Beim Newtonverfahren verdoppelt sich
die Zahl der geltenden Ziffern bei jedem
Schritt.
Für a ≈ 1, d.h. a = 1 + h mit |h| ≪ 1 folgt mit
dem Newtonverfahren und Startwert x1 = 1:
1
1+h
h
x2 =
1+
=1+
2
1
2
p
p
0,001
= 1,0005
1,001 = 1 + 0,001 ≈ 1 +
2
√
TR: 1,001 = 1,000499875
√
h
1 + h ≈ 1 + für |h| ≪ 1
2
(Lineare Näherung)
√
Mit dem Ansatz 1 + h = 1 + h2 + bh2 kann man
die lineare Näherung verbessern:
δrel =
1,0005 − 1,000499875
= 1,25 · 10−7
1,000499875
Für sehr kleine h liefert die lineare Näherung bessere Werte als der Taschenrechner.
Beispiel: Bewegt sich eine Uhr U′ (∆t′ ) mit der
Geschwindigkeit v an relativ zueinander ruhenden Uhren (∆t) vorbei, dann gilt nach Einstein
für die angezeigten Zeitspannen
p
v
∆t′ = ∆t 1 − β 2 mit β =
c
2
h
2
=1+h
1 + + bh
2
Unter Vernachlässigung der Terme mit h3 und h4
folgt b = − 81 , d.h.
(c = 3 · 108 ms ist die Lichtgeschwindigkeit). Mit
∆t = 3600 s und v = 30 ms ist β = 10−7 und
β 2 = 10−14 . Mit dem Taschenrechner ergibt sich
p
δt = ∆t − ∆t′ = ∆t(1 − 1 − β 2 ) = 0,
√
h h2
1+h≈1+ −
für |h| ≪ 1
2
8
(Quadratische Näherung)
Mit der quadratischen Näherung kann man
den relativen Fehler der linearen Näherung
abschätzen:
√
1 + h2 − 1 + h
h2
√
≈
δrel =
8
1+h
1,05 − 1,04880885
= 1,14 · 10−3
1,04880885
mit der linearen Näherung
β2
β2
= ∆t·
= 1,8·10−11 s
δt ≈ ∆t 1 − 1 −
2
2
63
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
√ √
√
4 · 9 = 4 · 9, aber:
p
√
√
(−4) · (−9) 6= −4 · −9
|
{z
}
|
{z
}
Rechenregeln für Wurzeln
Für a ≧ 0 und b ≧ 0 gilt:
√
36=6
√
√ √
a·b= a· b
Für a ≧ 0 und b > 0 gilt:
r
√
a
a
= √
b
b
Im Allgemeinen ist
√
√
√
a + b 6= a + b
und
√
√
q
√
2
2n
a = (an ) = |an |
Für n gerade ist |an | = an .
Umformen von Wurzeltermen
Teilweises Radizieren:
√
√
√
90 = 9 · 10 = 3 10
√
√
√
√
42336 = 25 · 33 · 72 = 4 · 3 · 7 · 6 = 84 6
Beim Umformen eines Wurzelterms
p
T = R(a, b, ...)
muss man peinlich auf die Definitionsmenge
DT des Terms achten, die aus der Bedingung
R(a, b, ...) ≧ 0 folgt.
√
Beispiel: T = a3 b4 c2
Beispiel: T =
=⇒
ab ≧ 0
≧0
=⇒ (a > 0 ∧ b > 0) ∨ (a < 0 ∧ b < 0)
√
√
T = a3 b5 = |a|b2 ab
a ≧ 0, b, c beliebig
√
√
a · a2 b4 c2 = ab2 |c| a
f (x) =
p
p
(x + 1)(x2 − 1) = (x + 1)2 (x − 1)
R(x) = (x + 1)2 (x − 1) ≧ 0 =⇒ x ≧ 1
| {z }
Unnötige Betragsstriche im Ergebnis vermeiden!
≧0
In Df = [1, +∞[ ist auch x + 1 ≧ 0, d.h.
√
√
f (x) = |x + 1| x − 1 = (x + 1) x − 1
Nenner rational machen
Der Nenner eines Bruches heißt rational, wenn er
keine Bruchterme enthält.
√
√
1
a
a
√ = √ 2 =
für a > 0
a
a
( a)
√ 2
√
√
( x) − 1
( x − 1) ( x + 1)
x−1
√
√
= √
=
=
x−1
x−1
x−1
√
= x + 1 für x ≧ 0 und x 6= 1
Auch bei Computern sparen rationale Nenner bei
langwierigen Berechnungen viel Rechenzeit!
√
√
√
√
a− b
a− b
1
√ = √
√
√ √
√ = a−b
a+ b
a+ b
a− b
für a ≧ 0, b ≧ 0 und a 6= b.
√
a3 b 5
2 4
a3 b5 = ab a
b ≧0
|{z}
≧0
T =
13−12=1
25=5
√
p
314 = 37 ,
(−3)14 = (−3)7 = 37
√
√
a22 = a11 ,
a24 = a12 = a12 , da 12 gerade
√
p
0,00000625 = 625 · 10−8 = 25 · 10−4
√
√
√
9 · 10149 = 90 · 10148 = 90 · 1074
Für n ∈ Z (und a 6= 0, wenn n < 0) gilt:
=⇒
3+4=7
25=5
√
√
√
169 − 144 6= | 169 {z
− 144}
|
{z
}
√
√
√
a − b 6= a − b
a3 |{z}
b 4 c2 ≧ 0
nicht def.
√
√
√
√
8100 = 81 · 100 = 81 · 100 = 9 · 10 = 90
r
√
5
25
25
=√ =
16
4
16
r
√
p
7
49
49
=
=√
0,0049 =
10000
100
10000
√
√
√
9 + 16 6= 9 + 16
| {z } | {z }
√ 2
√
1+ 2
1+ 2
√ =
√ =
√ 1− 2
1− 2 1+ 2
√
√
1+2 2+2
=
= −3 − 2 2
1−2
64
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Potenzen mit rationalen Exponenten
q
Potenzen mit rationalen Exponenten werden so
definiert, dass die bekannten Potenzgesetze für
ganze Exponenten weiterhin richtig bleiben (siehe S.49) .
Gilt das Potenzgesetz (ap ) = apq auch für rationale Exponenten, dann ist
1 n
1
an
= a n ·n = a1 = a
Für a ≧ 0 und n ∈ N definiert man:
8 3 = 2, da 23 = 8
Definition
1
1
1
xn = a
⇐⇒
x = an
xn = a ⇒ L =
16 4 = 2, da 24 = 16 und 2 > 0
und x ≧ 0
1
n 1 o

 ±a n



∅ = {}
n o
1
n
16 4 6= −2, obwohl (−2)4 = 16 aber − 2 < 0
f. a ≧ 0 ∧ n ger.

a


o
n


 −|a| n1
1
(−8) 3 nicht def., obwohl (−2)3 = −8 (−8 < 0)
f. a < 0 ∧ n ger.
f. a ≧ 0 ∧ n unger.
x4 = 16 =⇒ L = {−2, 2}
f. a < 0 ∧ n unger.
x4 = −16 =⇒ L = {}
Für a ≧ 0, n ∈ N und m ∈ N0 definiert man:
x3 = 8 =⇒ L = {2}
1 m
m
a n = an
x3 = −8 =⇒ L = {−2}
Für a > 0, n ∈ Z \ {0} und m ∈ Z definiert man:
m sgn( m
m
n)
a n = a| n |
=

a m
n
1
 |m|
a n
für
für
m
n
m
n
1 2
1 3
2
3
83 = 83
= 22 = 4, 16 4 = 16 4 = 23 = 8
≧0
<0
5
1
1
1
= 5 =
64− 6 = 5
1
2
32
64 6
Damit ist aq für a > 0 und q ∈ Q definiert.
1
Warum Potenzen mit rationalen Exponenten und
negativen Basen nicht definiert sind:
5
5
(−8) 3 = (−2)3 3 = (−2)5 = −32
1
1
10
5
(−8) 3 = (−8) 6 = (−2)30 6 = 230 6 = 32
Widerspruch!
1
ap · aq = ap+q
;
1
1
a p
ap
=
bp
b
ap
p−q
=a
aq
1
1
In den folgenden Beispielen ist a > 0:
5
3
16
= a 3 − 5 = a 15
3
5
32
a
8
3
− 14
8
a3
32
=
! 41
2
=
2
a3
(2 · 24 )
1
4
=
a3
1
2 · 24
1
1
x3 = 74088 =⇒ x = 74088 3 = (23 ·33 ·73 ) 3 =
1
1
1
23 3 · 33 3 · 73 3 = 2 · 3 · 7 = 42
11
5
1
32
2 5
2
2
=
=⇒ x =
=
x5 =
3
3
3
243
Für a > 0 und q ∈ Q \ {0} gilt:
=⇒
1
3 4 · 3 12 = 3 4 + 12 = 3 3
a
(ap )q = apq
xq = a
1
5
Für a > 0 und p, q ∈ Q gelten die Potenzgesetze:
;
1
5 3 · 25 3 = (5 · 25) 3 = 125 3 = 5
3
3
1 3
3
729 4
729 4
=
= 81 4 = 81 4 = 33 = 27
3
9
94
a3
ap · bp = (ab)p
1
1
Beachte: −| − 8| 3 = −8 3 = −2
2
1
x = aq
x− 3 = 9
=⇒
1
1
1
2
3
x = 9 − 3 = 9− 2 =
1
3
92
=
1
27
1
x3 = 2 · x2
=⇒
=⇒
65
x3
1
x2
1
1
1
= x 3 − 2 = x− 6 = 2
x = 2−6 =
1
1
=
26
64
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
√
p
6
3
3
(−2)6 = 26 = 22 = (−2)2 = (−2) 3 ,
√ 6
aber: 3 −2 nicht definiert!
√
p
8
8
3
3
(−2)8 = 28 = 2 3 6= (−2) 3
| {z }
Wurzelschreibweise
√
1
n
a = an
a ≧ 0, n ∈ N :
√
√
1
a = 2 a = a2
Spezialfall:
nicht def.!
Allgemein gilt für n ∈ N, m ∈ Z:
√
n
xm
 m
|x| n


 m

|x| n
=
m

xn


 m
xn
,
,
,
,
m ger., m ≧ 0, D = R
|m| ger., m < 0, D = R \ {0}
m unger., m > 0, D = R+
0
|m| unger., m < 0, D = R+
√
1
3
√
1
1
1
a3
a
3 − 4 = a 12 = 12 a
√
=
1 = a
4
a
a4
a>0:
Vereinfachung von Wurzeltermen auf dem Umweg
über die Potenzschreibweise und Anwendung der
Potenzgesetze!
Ist V das Volumen und A die Oberfläche eines
Würfels der Kantenlänge a, dann gilt
√
1
3
V = a3 =⇒ a = V 3 = V
1 2
√
2
3
A = 6a2 = 6 · V 3 = 6V 3 = 6 V 2
Numerische Berechnung der n-ten Wurzel
Ausgangspunkt zur Herleitung einer Iterationsformel ist die Beziehung
√
1
x = n a = a n ⇐⇒ xn = a
V
2
3
A
=
6
=⇒
mit |ε| ≪ 1
Der relative Fehler der Näherung ist
Es gilt die Näherungsformel
(1 + h)n ≈ 1 + nh
mit
δrel =
|h| ≪ 1
h
0,1
0,01
0,001
n
ε
a = x = (xk + ε) = xk 1 +
≈
xk
nε
= xnk + nxkn−1 ε
≈ xnk 1 +
xk
n
ε≈
a − xnk
a
xk
n−1 =
n−1 − n
nxk
nxk
Besserer Näherungswert für x:
xk+1 = xk +
a
xk
−
n
nxkn−1
oder
xk+1
1 + 5h − (1 + h)5
(1 + h)5
(1 + h)5
1,61051
1,05101
1,00501001
1 + 5h δrel
1,5
6,9 %
1,05
0,096 %
1,005
0,001 %
√
5
Berechnung von x = 3:
3
1
4xk + 4 ,
x1 = 1
xk+1 =
5
xk
1
3
x2 =
4 + 4 = 1,4
5
1
3
1
4 · 1,4 +
= 1,276184923
x3 =
5
1,44
1
3
x4 =
4x3 + 4 = 1,247150132
5
x3
3
1
4x4 + 4 = 1,245734166
x5 =
5
x4
3
1
4x5 + 4 = 1,245730940
x6 =
5
x5
Damit erhält man
n
r
r
23
A A
A
A3
V =
=
=
6
216
6 6
Test der Näherungsformel (1 + h)n ≈ 1 + nh für
n = 5.
xk ist ein Näherungswert für x, d.h.
x = xk + ε
∈ N!!
√
√
4
5
4
5
x4 = |x| 5 in D = R,
x5 = x 4 in D = R+
0
√
√
3
4
4
2
x6 = |x| 2 in D = R,
x8 = x in D = R
√
5
1
1
4
x−5 = x− 4 = 5 = √
in D = R+
4
x4
x5
√
1
1
6
5
x−6 = |x|− 5 =
in D = R \ {0}
6 = √
5
5
|x|
x6
√
√ m
m
n
am = a n = n a
a > 0, n ∈ N, m ∈ Z :
6
3
1
a
=
(n − 1)xk + n−1
n
xk
5
Probe: (x6 ) = 3,000 000 005
66
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Quadratische Gleichungen
x2 − x − 6 = 0
2
2
1
1
1
=6+
x2 − 2 · · x +
2
2
2
2
1
25
x−
=
2
4
x − 1 = 5
2 2
1
5
x− =±
2
2
1 5
x= ±
2 2
x1 = 3 x2 = −2
Eine Gleichung der Form
ax2 + bx + c = 0
(I)
mit a 6= 0 heißt quadratische Gleichung.
Normierte Form der Gleichung:
x2 +
c
b
x+ =0
a
a
Quadratische Ergänzung:
x2 + 2 ·
b
x+
2a
b
2a
2
c
=− +
a
b
2a
2
Anwendung der binomischen Formel:
L = {−2; 3}
2
b
b2 − 4ac
D
x+
=
= 2
2a
4a2
4a
2
3x2 − 5x − 7 = 0
2
2
5
7
5
5
2
x −2· ·x+
= +
6
6
3
6
2
5
109
x−
=
6
36
√
5
109
x= ±
6
6)
(
√
√
5 + 109 5 − 109
L=
;
6
6
2
mit D = b − 4ac. Da 4a > 0, ist

{}
für D < 0





 − b
für D = 0
L = ( 2a
)
√


b2 − 4ac
b



für D > 0
 − 2a ±
2a
Für D > 0 hat (I) also die beiden Lösungen
√
b
b2 − 4ac
und
x1 = − +
2a √ 2a
b
b2 − 4ac
x2 = − −
2a
2a
x2 − 12x + 35 = 0
Wegen 5 + 7 = −(−12) und 5 · 7 = 35 ist
Die Lösungen der normalisierten Gleichung
x2 + bx + c = 0
x1 = 5 und x2 = 7
(II)
(a = 1) sind für b2 − 4c > 0:
√
b
b2 − 4c
x1 = − +
2 √ 2
b2 − 4c
b
x2 = − −
2
2
und es gilt
x2 − 12x + 35 = (x − 5)(x − 7)
und
Biquadratische Gleichung:
x4 − 14x2 + 45 = 0
Daraus folgt der Satz von Vieta:
Substitution: x2 = y
Hat die Gleichung x2 + bx + c = 0 zwei
Lösungen x1 und x2 , dann gilt
x1 + x2 = −b und
y − 14y + 45 = 0
y 2 − 2 · 7y + 72 = −45 + 49 = 4
y =7±2
x1 · x2 = c
x2 + bx + c = (x − x1 )(x − x2 )
Einfache Lösung von (I), wenn c = 0:
ax2 + bx = x (ax + b) = 0
=⇒
x1 = 0,
=⇒
2
x2 = − ab
67
y1 = x21 = 9
=⇒
y2 = x22 = 5
=⇒
x11 = 3, x12 = −3
√
√
x21 = 5, x22 = − 5
n
√ √ o
L = −3, 3, − 5, 5
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Wurzelgleichungen
x−1=3
L1 sei die Lösungsmenge der Gleichung
f (x) = g(x)
(x − 1)2 = 32
(1)
=⇒
=⇒
p
x2 − 1 = x − 2,
und L2 sei die Lösungsmenge der quadrierten
Gleichung
f (x)2 = g(x)2 (2)
2
2
L1 = {4}
L2 = {4; −2},
L1 j L2
D =] − ∞, −1] ∪ [1, ∞[
x − 1 = x − 4x + 4
5
x= ∈D
4
s
r
2
9
3
5
−1=
Probe: LS =
=
4
16
4
3
5
RS = − 2 = − 6= RS =⇒
4
4
L = {}
Es gilt L1 j L2 , d.h. jede Lösung von (1) ist auch
Lösung von (2), aber nicht unbedingt umgekehrt.
Eine Wurzelgleichung enthält die Unbekannte im
Radikanden einer Wurzel. Zum Beseitigen der
Wurzeln muss die Gleichung nach geeigneten Umstellungen quadriert werden. Die quadrierte Gleichung kann Lösungen enthalten, die keine Lösungen der ursprünglichen Gleichung sind. Diese
falschen“ Lösungen können durchaus in der De”
finitionsmenge der ursprünglichen Gleichung liegen. Zur Bestimmung der Lösungsmenge muss
mit den gefundenen Lösungen der quadrierten
Gleichung also unbedingt die Probe gemacht werden!
√
Die Gleichung x2 − 1 = 2 − x führt auf dieselbe quadrierte Gleichung und somit auch auf
x = 54 . Hier passt die Probe und es ist L = 45 .
√
x + 2 = x + 1,
2
D = [−1, ∞[
x + 2 = x + 2x + 1
√
1
√ = x − 1, D = [1, ∞[
x
√
1=x− x
√
x = x − 1 |2
x2 + x = 1
2
1
1
5
1
2
x +2· x+
=1+ =
2
2
4
4
√
√
−1 − 5
−1 + 5
, x2 =
x1 =
2
2
√
/ D.
Wegen 5 > 1 ist x2 < −1, d.h. x2 ∈
x = x2 − 2x + 1
x2 − 3x = −1
2
3
9
5
3
x2 − 2 · x +
= −1 + =
2
2
4
4
√
√
3+ 5
3− 5
x1 =
, x2 =
2
2
√
/ D.
Wegen 5 > 2 ist x2 < 1, d.h. x2 ∈
Probe für x1 :
s
s
√
√
−1 + 5
3+ 5
LS =
+2=
=
2
2
q
s
√
√
√
1 + 2 · 1 · 5 + ( 5)2
6+2 5
=
=
=
4
2
q
√ 2
√
1+ 5
1+ 5
=
=
2√
2√
1+ 5
−1 + 5
+1=
RS =
2
2
(
√ )
−1 + 5
L=
2
Probe für x1 :
q
s
√
√
√
1 + 2 · 1 · 5 + ( 5)2
√
6+2 5
x1 =
=
=
4
2
q
√ 2
√
1+ 5
1+ 5
=
=
2
2
2
1
√ =
LS = √ =
x1
1+ 5
√
√
2(1 − 5)
5−1
=
=
1−5
2
√
√
√
1+ 5
5−1
−1=
RS = x1 − 1 =
2
2
)
(
√
3+ 5
L=
2
68
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die quadratische Funktion
6
Die Normalparabel f und die um ~v1 =
−3
verschobene Normalparabel mit der Gleichung
Die Normalparabel
Eine Funktion f mit der Gleichung
f (x) = ax2 + bx + c
g(x) = (x − 6)2 − 3
−3
und die um ~v2 =
verschobene Normalpa2
rabel mit der Gleichung
mit a 6= 0
heißt quadratische Funktion. Der Graf einer quadratischen Funktion heißt Parabel.
Die einfachste quadratische Funktion hat die
Gleichung
f (x) = x2
h(x) = (x + 3)2 + 2
Ihr Graf ist die Normalparabel. Der Punkt S(0|0)
heißt Scheitel der Normalparabel.
Ist Gf der Graf der Funktion f , dann erhält man
den Grafen der Funktion g mit der Gleichung
y
f
6
h
5
~
v1
4
3
g(x) = f (x + d) + e
2
~
v2
durch Verschiebung von Gf um den Vektor
−d
~v =
,
e
−5 −4 −3 −2
g
1
−1
1
−2
2
3
4
5
7
6
8
x
4
x
~
v1
−3
d.h. um d nach links und um e nach oben.
Der Graf der quadratischen Funktion f
mit der Gleichung
Die Grafen der Funktionen f (x) = x2 ,
g(x) = 2x2 , h(x) = 21 x2 , k(x) = −x2 und
m(x) = − 13 x2 :
f (x) = (x + d)2 + e
−d
ist die um den Vektor ~v =
vere
schobene Normalparabel. Ihr Scheitel
ist S(−d|e).
y
8
g
7
f
6
Der Graf der Funktion g mit der Gleichung g(x) = ax2 geht aus der Normalparabel durch eine zentrische Streckung
mit dem Zentrum O(0|0) und dem Faktor k = a1 hervor.
h
5
4
3
Beweis: f (x) = x2 , g(x) = ax2
2
y
1
x2
a
f
−4
g
x
3
2
−1
m
−3
x
g
−2
−2
2
hier: 0 < a < 1
−3
x
a
x
−4
x 2
x2
1
1
=
·x =a·
= · f (x)
a
a
a
a
−5
69
k
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die allgemeine quadratische Funktion
Beispiel:
f (x) =
Umformen der Gleichung der quadratischen
Funktion (quadratische Ergänzung):
2 2
32
x + 4x +
5
5
Scheitelform:
2
f (x) = ax + bx + c =
"
2 2 #
b
b
b
2
+c=
−
=a x +2· x+
2a
2a
2a
"
#
2
b
b2
=a x+
− 2 +c=
2a
4a
2
b
b2
=a· x+
+c−
2a
4a
|
{z
}
Scheitelform
Der Graf der Funktion f mit der Gleichung
2 2
x + 10x + 16 =
5
2 2
x + 2 · 5x + 52 − 25 + 16 =
=
5
2
=
(x + 5)2 − 9 =
5
2
18
= (x + 5)2 −
5
5
18
=⇒ S −5 −
= S(−5 | − 3,6)
5
f (x) =
Nullstellenberechnung mit der Scheitelform:
18
2
(x + 5)2 −
=0
5
5
f (x) = ax2 + bx + c
(x + 5)2 = 9
ist eine Parabel mit dem Scheitel bei
b2
b
c−
S −
2a
4a
x = −5 ± 3
=⇒
x1 = −8,
x2 = −2
Produktform (faktorisierte Darstellung):
Für a > 0 ist die Parabel nach oben,
für a < 0 nach unten geöffnet.
f (x) =
2
(x + 8)(x + 2)
5
y
Die Nullstellen von f sind
Wegen
6
1p 2
b
b − 4ac
x1 = − −
2a 2a
1p 2
b
b − 4ac
x2 = − +
2a 2a
5
4
3
2
1
−9
a(x1 + x2 ) = −b
−7 −6 −5 −4 −3
−1
−1
1 x
−2
und
−3
ax1 x2 = c
folgt
Beispiel aus der Physik:
2
a(x − x1 )(x − x2 ) = ax − a(x1 + x2 )x + ax1 x2 =
= ax2 + bx + c
Für die quadratische Funktion f mit
f (x) = ax2 + bx + c
lautet die Scheitelform
2
b2
b
+c−
f (x) = a · x +
2a
4a
Ein Körper, der zur Zeit t0 = 0 in der Höhe
x0 mit der Anfangsgeschwindigkeit v0 senkrecht
nach oben geworfen wird, befindet sich zur Zeit t
in der Höhe
g
x
x(t) = − t2 + v0 t + x0
h
2
Maximale Höhe
v2
h = 0 + x0
2g
zur Zeit t1 =
und die Produktform
f (x) = a(x − x1 )(x − x2 )
x(t2 ) = 0
mit den Nullstelen x1 und x2 von f .
70
x0
t1
v0
.
g
mit t2 =
1
v0
+
g
g
t2 t
q
v02 + 2gx0
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Parabel durch gegebene Punkte
Gesucht ist eine verschobene Normalparabel
durch die Punkte P1 (1|1) und P2 (2|5).
y
(1 − d)2 + e = 1
(1)
2
P2
5
(2 − d) + e = 5
(2)
———————
1 − 2d + d2 + e = 1
(3)
2
4 − 4d + d + e = 5
(4)
P1
1
————————–
(4) − (3):
−1
1 2 x
3 − 2d = 4
S
1
d=−
2
2
5
1
=−
(1) =⇒ e = 1 − 1 − −
2
4
Durch zwei Punkte P1 (x1 |y1 ) und P2 (x2 |y2 ) mit
x1 6= x2 kann man genau eine verschobene Normalparabel zeichnen. Gleichung der verschobenen
Normalparabel:
f (x) = (x − d)2 + e
P1 ∈ Gf ⇐⇒ (x1 |y1 ) ∈ f ⇐⇒ f (x1 ) = y1
P1 ∈ Gf =⇒
P2 ∈ Gf =⇒
f (x1 ) = (x1 − d)2 + e = y1 (1)
f (x2 ) = (x2 − d)2 + e = y2 (2)
Auflösen des Gleichungssystems liefert die Unbekannten d und e.
2
5
1
−
f (x) = x +
2
4
Durch drei Punkte P1 (x1 |y1 ), P2 (x2 |y2 ) und
P3 (x3 |y3 ), die nicht auf einer Geraden liegen und
mit drei verschiedenen x-Koordinaten, kann man
genau eine Parabel zeichnen.
Gleichung der Parabel:
Gesucht ist eine Parabel durch die Punkte
P1 (1|5), P2 (4|6) und P2 (6|1).
Gleichung der Parabel:
f (x) = ax2 + bx + c = a(x − d)2 + e
P1 ∈ Gf =⇒
P2 ∈ Gf =⇒
P3 ∈ Gf =⇒
f (x) = ax2 + bx + c
ax21 + bx1 + c = y1
(1)
ax22
ax23
+ bx2 + c = y2
(2)
+ bx3 + c = y3
(3)
P1 ∈ Gf =⇒
P2 ∈ Gf =⇒
P3 ∈ Gf =⇒
Auflösen des Gleichungssystems liefert die Unbekannten a, b und c.
Oder:
P1 ∈ Gf =⇒
a(x1 − d)2 + e = y1
(1)
P3 ∈ Gf =⇒
a(x3 − d)2 + e = y3
(3)
a(x2 − d)2 + e = y2
P2 ∈ Gf =⇒
(1)
(2)
36a + 6b + c = 1
(3)
(2) − (1) :
(3) − (2) :
15a + 3b = 1
20a + 2b = −5
(4)
(5)
(4) · (−2) :
−30a − 6b = −2
(6)
(5) · 3 :
(2)
a+b+c=5
16a + 4b + c = 6
60a + 6b = −15
30a = −17
17
a=−
30
(4) + (5) :
Auflösen des Gleichungssystems liefert die Unbekannten a, d und e.
5 17
19
b=− +
=
2
3
6
17 19
12
(1) =⇒ c = 5 +
−
=
30
6
5
(9) in (5) :
y
6
5
Damit lautet die Parabelgleichung:
4
3
f (x) = −
2
1
2
3
4
5
6
12
17 2 19
x +
x+
30
6
5
mit dem Scheitel
95 13921
S
≈ S(2,79 | 6,82)
34 2040
x
71
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Wahrscheinlichkeit
Definitionen und Regeln
Beispiele
Produkte von Wahrscheinlichkeiten
(1. Pfadregel)
Baumdiagramm eines zweistufigen Experiments:
Start
Wir betrachten zwei Zufallsexperimente mit den
Ergebnisräumen Ω1 = {ω11 , ω12 , ... , ω1n } und
Ω2 = {ω21 , ω22 , ... , ω2m } und den Mächtigkeiten
|Ω1 | = n und |Ω2 | = m. Werden beide Experimente hintereinander ausgeführt, entsteht ein
zweistufiges Zufallsexperiment (siehe S. 52) mit
dem Ergebnisraum
ω11
ω21
ω1n
ω12 ω13
ω22
ω21
ω2m
ω22
ω2m
Baumdiagramm eines s-stufigen Experiments:
Ω = {ω11 ω21 , ω11 ω21 , ... , ω1n ω2m }
Start
und der Mächtigkeit |Ω| = n · m. Wird das zusammengesetzte Experiment N -mal ausgeführt,
erwartet man für Häufigkeit des Ergebnisses ω1x
beim ersten Experiment
p1x
p1x = P (ω1x )
ω1n
ω1x
ω11
p2y = P (ω2y )
p2y
H1x = P (ω1x ) · N.
ω21
ω2m
ω2y
Für die Häufigkeit des Ergebnisses ω1x ω2y im zusammengesetzten Experiment erwartet man dann
psz
H1x,2y = P (ω2y ) · H1x = P (ω1x )P (ω2y )N.
ωs1
Die Wahrscheinlichkeit für das eintreten von
ω1x ω2y im zusammengesetzten Experiment ist also
P (ω1x ω2y ) =
psz = P (ωsz )
ωsr
ωsz
Beispiel: Eine Urne enthält drei rote und zwei
blaue Kugel. Es werden ohne Zurücklegen 3 Kugeln gezogen.
H1x,2y
= P (ω1x )P (ω2y )
N
3r2b
P (ω1x ω2y ) = P (ω1x )P (ω2y )
2
5
3
5
Die angestellten Überlegungen lassen sich leicht
auf mehr als zweistufuge Zufallsexperimente verallgemeinern:
2r2b
3rb
r
b
1
2
1
2
r
1
3
2
3
2
3
r
b
r
1
10
2
10
2
10
3r
2rb
2rb
b
r2b
In einem s-stufigen Zufallsexperiment
ist die Wahrscheinlichkeit eines Ergebnisses das Produkt der Wahrscheinlichkeiten längs des entsprechenden Pfades
im Baumdiagramm (1. Pfadregel):
1
4
3
4
r
1
3
2
3
b
r
1
10
2
10
b
1
3
1
b
r
1
10
1
10
P (ω1x ω2y ...ωsz ) =
P (ω1x )P (ω2y )...P (ωsz )
3
5
3
P (rbr) =
5
2
P (brr) =
5
2
P (bbr) =
5
P (rrr) =
Eine Urne ist ein Behältnis für Kugeln, die nach
Farbe, aufgedruckten Zahlen oder Ähnlichem unterschieden werden.
Beim Ziehen mit Zurücklegen ist der Urneninhalt und damit die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Ergebnis bei jedem Zug gleich.
Beim Ziehen ohne Zurücklegen ändert sich der
Urneninhalt und damit die Wahrscheinlichkeit für
ein bestimmtes Ergebnis bei jedem Zug.
1
2
1
·
2
3
·
4
1
·
4
·
1
3
2
·
3
2
·
3
1
·
1
·
1
3 1 2
2
, P (rrb) = · · =
10
5 2 3
10
2
3 1 1
1
=
, P (rbb) = · · =
10
5 2 3
10
2
2 3 1
1
=
, P (brb) = · · =
10
5 4 3
10
1
=
,
10
=
Wird mit Zurücklegen gezogen, gilt z.B.
3
2
27
, P (rbb) = 35 · 25 =
P (rrr) = 53 = 125
72
12
125
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Summen von Wahrscheinlichkeiten
(2. Pfadregel)
Beispiel: Eine Urne enthält drei rote und zwei
blaue Kugel. Es werden ohne Zurücklegen 3 Kugeln gezogen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,
mindestens zwei rote Kugeln zu ziehen?
Nach dem Zerlegungssatz (siehe S. 55) ist die
Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses E gleich der
Summe der Wahrscheinlichkeiten seiner Elementarereignisse (siehe S. 56). Angewandt auf ein
mehrstufiges Zufallsexperiment folgt:
3r2b
3
5
2
5
2r2b
In einem mehrstufigen Zufallsexperiment ist die Wahrscheinlichkeit eines
Ereignisses die Summe der Wahrscheinlichkeiten aller Pfade, die zu diesem Ereignis führen (2. Pfadregel).
3rb
r
b
1
2
1
2
r
1
3
2
3
2
3
r
b
r
1
10
2
10
2
10
3r
2rb
2rb
b
r2b
1
4
3
4
r
1
3
2
3
b
r
1
10
2
10
b
1
3
1
b
r
1
10
1
10
E = mindestens 2 rote“ = {rrr, rrb, rbr, brr}
”
P (E) = P (rrr) + P (rrb) + P (rbr) + P (brr) =
2
2
2
7
1
+
+
+
=
= 70%
=
10 10 10 10
10
Beispielaufgabe:
Lösung:
Der Girgl und der Fex sind leidenschaftliche Wilderer. Der Girgl trifft eine Gams mit der Wahrscheinlichkeit 60 %, der Fex mit 80 %. Die beiden Freunde gehen gemeinsam auf die Jagd, der
Girgl hat drei, der Fex zwei Patronen dabei. Als
sie einen Gamsbock sehen, beginnen sie abwechselnd auf ihn zu schießen, der Girgl beginnt. Nach
einem Treffer ist die Gams tot und das Schießen
beendet.
1.
0,6
Ω = {g, gf, gf g,
gf gf, gf gf g,
gf gf g}
0,4
g
g
f
f
0,6
|Ω| = 6
1. Erstelle ein Baumdiagramm für das Zufallsexperiment Gamsschießen“. Verwende die
”
Symbole g, f , g und f für das Treffen bzw.
Nichttreffen des jeweiligen Schützen und
schreibe den kompletten Ergebnisraum Ω
hin. Gib auch die Mächtigkeit von Ω an.
Mit welcher Wahrscheinlichkeit p0 überlebt
die Gams?
0,2
0,8
0,4
g
g
p0 = P (gf gf g) =
0,8
= 0,43 · 0,22 =
= 0,00256 =
f
g
2. F = Die Gams wird vom Fex erlegt.“
”
G = Die Gams wird vom Girgl erlegt.“
”
N = Die Gams wird nicht erlegt.“
”
F = {gf, gf gf }
P (F ) = 0,4 · 0,8 + 0,4 · 0,2 · 0,4 · 0,8 =
= 0,32 · (1 + 0,08) = 34,56 %
{F, G, N } ist eine Zerlegung von Ω
=⇒
pg = P (G) = 1 − P (F ) − P (N ) =
= 1 − P (F ) − p0 =
= 1 − 0,3456 − 0,00256 = 65,184 %
73
f
0,6
= 0,256 %
2. Schreibe das Ereignis F : Die Gams wird
”
vom Fex erlegt.“ in der Mengenschreibweise
hin und berechne seine Wahrscheinlichkeit.
Mit welcher Wahrscheinlichkeit pg wird die
Gams dann vom Girgl geschossen?
0,2
0,4
g
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Satz des Pythagoras
Herleitung
Im rechtwinkligen Dreieck △ABC mit γ = 90◦
ist D der Fußpunkt der Höhe von C auf AB. Die
den rechten Winkel bildenden Seiten ([AC] und
[BC]) heißen Katheten, die dem rechten Winkel
gegenüberliegende Seite ist die Hypotenuse.
Aus der Ähnlichkeit
C
δ

α + β = 90◦ 
α + δ = 90◦

β + ε = 90◦
folgt
h2 = pq
(Höhensatz)
=⇒
a2 = qc
(Kathetensatz)
=⇒
b2 = pc
(Kathetensatz)
c
In einem rechtwinkligen Dreieck mit
den Katheten a und b und der Hypotenuse c gilt (Pythagoras):
a2 + b 2 = c2
A
Gilt im Dreieck △ABC die Beziehung
a2 +b2 = c2 , dann ist das Dreieck rechtwinklig (γ = 90◦ ).
A
c
A
|
C′
B A
′
a′
c
′
=⇒
B
A ist die Voraussetzung, B die Behauptung. Vertauscht man Voraussetzung und Behauptung,
dann erhält man die Umkehrung des Satzes.
Beweis:
b′
δ = β, ε = α
Wenn A, dann B.
Wenn A wahr ist, dann ist auch B wahr.
Umkehrung des Satzes von Pythagoras:
a
=⇒
B
Eine Aussage ist ein sprachliches Gebilde, dem
man einen Wahrheitswert (wahr oder falsch) zuordnen kann. Die Sonne scheint.“ ist eine Aus”
sage, Scheint die Sonne?“ ist keine Aussage.
”
Das Gegenteil oder die Negation einer Aussage A
bezeichnet man mit ¬A (nicht A oder non A).
A = Die Sonne scheint.“
”
¬A = Die Sonne scheint nicht.“
”
B = x = 3“, ¬B = x 6= 3“
”
”
Ein mathematischer Satz verknüpft zwei Aussagen A und B:
a2 + b2 = qc + pc = (q + p) c = c2
| {z }
b
β
D
Struktur eines mathematischen Satzes
Aus den Kathetensätzen folgt
C
γ
q
p
α
A
c
=⇒
a
h
△ABC ∼ △ACD ∼ △CBD
q
h
=
p
h
q
a
=
a
c
p
b
=
b
c
ε
b
=⇒
{z
Satz
B},
B
|
=⇒
{z
Umkehrung
A}
Wenn ein Satz wahr ist, muss die Umkehrung
nicht wahr sein.
Wenn der Satz und die Umkehrung wahr sind,
schreibt man
A ⇐⇒ B
′
B
Wir betrachten zusätzlich das Dreieck △A′ B′ C′
mit a′ = a, b′ = b und γ ′ = 90◦ . Nach dem Satz
des Pythagoras gilt
Allgemein gilt aber:
c′2 = a′2 + b′2 = a2 + b2 = c2 =⇒ c′ = c
(A =⇒ B)
Damit gilt △ABC ∼
= △A′ B′ C′ (sss) und damit
′
◦
auch γ = γ = 90 .
q.e.d.
⇐⇒
(¬B =⇒ ¬A)
Man kann den Satz A =⇒ B also beweisen, indem man ¬B =⇒ ¬A beweist (Widerspruchsbeweis).
74
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
√
Konstruktion einer Streckenlänge x:
Mit Höhensatz: pq = x = h2
Mit Kathetensatz: cq = x = a2
A, D, B zeichnen, C liegt auf
dem Lot auf AB in D und auf
dem Thaleskreis über [AB].
Konstruktion einer Strecke mit der Länge
C
C
a
h
A
D q
p
C
√
10
√
10
B
A
5
D
2
B
A
h2 = 5 · 2 = 10
Diagonale im Rechteck
p
d = a2 + b 2
d
b
2
d1
b
2
b
a
Höhe im gleichseitigen Dreieck
a
a2 = h2 +
2
r
2
a
a√
h = a2 −
=
3
4
2
1
a2 √
Fläche: A = ah =
3
2
4
a
h
c
d
Im Würfel mit a = b = c:
√
d=a 3
a
b
a
a
h
a
2
a
2
a
Ist △ABC mit A (1 2), B (7 − 2) und C (3 5)
rechtwinklig?
Die Entfernung zweier Punkte P (x1 y1 ) und
Q (x2 y2 ) im Koordinatensystem:
2
Q
a2 = BC = (7 − 3)2 + (−2 − 5)2 = 65
∆y
b2 = AC = (3 − 1)2 + (5 − 2)2 = 13
y
y2
d
2
2
P
c2 = AB = (7 − 1)2 + (−2 − 2)2 = 52
∆x
=⇒
x1
x2
q
vx2 + vy2
=⇒
Ein quadratische, gerade Pyramide (Grundfläche
ist ein Quadrat mit der
Kantenlänge a, die Spitze
S befindet sich senkrecht
über dem Mittelpunkt des
Quadrats) hat die schräge
In 3D: P (x1 y1 z1 ), Q (x2 y2 z2 ):
p
d = PQ = (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2 + (z2 − z1 )2
Der Betrag eines Vektors,
z.B.
vx
:
der Geschwindigkeit ~v =
vy
b 2 + c2 = a2
α = 90◦
x
p
p
∆x2 + ∆y 2 = (x2 − x1 )2 + (y2 − y1 )2
v = |~v | =
a2 = (3 + 2) · 2 = 10
d21 = a2 + b2
p
d = a2 + b 2 + c2
b
Höhe im gleichschenkligen Dreieck
b
a2 = h2 +
2
r
a
b2
h = a2 −
4
d=
B
2
D
3
Diagonale im Quader
Im Quadrat mit a = b:
√
d=a 2
y1
√
10:
y
~
v
vy
S
a
h
a
h′
d
2
a
a
Kante a.
Berechne die Höhe h und die Oberfläche A.
√
Diagonale des Quadrats: d = a 2
s
2 r
a2
d
a√
2
h= a −
2
= a2 −
=
2
2
2
vx
x
q
oder in 3D: v = |~v | = vx2 + vy2 + vz2
m
3 s
=⇒
Beispiel: ~v =
4 ms
r
m2
m
m2
v = 32 2 + 42 2 = 5
s
s
s
Die Seitenflächen sind gleichseitige Dreiecke mit
a√
der Höhe h′ =
3 =⇒
2
√
a2 √
A=4·
3 + a2 = a2 (1 + 3)
4
75
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Trigonometrie
Definition der Winkelfunktionen
Zwei rechtwinklige Dreiecke, die in einem weiteren Winkel ϕ übereinstimmen, sind ähnlich. Es
gilt also (siehe Abb.)
g2
g1
=
,
h1
h2
a1
a2
=
,
h1
h2
h2
h1
ϕ
ϕ
g1
g2
=
a1
a2
a2
a1
Diese nicht von der Größe des Dreiecks abhängigen Verhältnisse werden häufig gebraucht und erhalten eigene Namen:
Hy
Gegenkathete
g
=
Hypotenuse
h
Ankathete
a
cos ϕ =
=
Hypotenuse
h
g
Gegenkathete
=
tan ϕ =
Ankathete
a
tan ϕ =
(Kosinus)
(Tangens)
45◦
30◦
sin ϕ
=
cos ϕ
h
2
sin ϕ
cos ϕ
sin2 ϕ = (sin ϕ)2
Mit dem Pythagoras folgt:
a2
g 2 + a2
h2
g2
+
=
=
=1
h2
h2
h2
h2
Ein paar exakte Werte:
sin ϕ
0
1
2
cos ϕ
tan ϕ
1
√
1
0
√
1
2
3
3
3
ϕ
sin ϕ
cos ϕ
0
√
0
√
1
2 4
1
2
30
√
1
√
1
2 3
1
2
45◦
3
h
2
√
2
2
h
2
sin 50◦ = 0,7660, cos 50◦ = 0,6428
45◦
√
1
2 2
√
1
2 2
1
60◦
√
1
2 3
90◦
1
2
0
tan 89◦ = 57,29
–
Ist der Wert einer Winkelfunktion gegeben, findet
√
3
cos 40◦ = sin(90◦ − 40◦ ) = sin 50◦ = 0,7660
p
p
cos 50◦ = 1 − sin2 50◦ = 1 − 0,7662 = 0,6428
1
man den Winkel mit den Tasten sin−1 , cos−1
Zum einfachen Merken:
◦
√
√
Achtung! Den Taschenrechner mit MODE auf
DEG (Gradmaß, Degree) einstellen!
sin2 ϕ + cos2 ϕ = 1
30◦
h
2
h
2
√
h
1
1√
◦
2 3
sin 30 = = , cos 30 =
=
3
h
2
h
2
√
h
h
3
1√
1
sin 60◦ = 2
3, cos 60◦ = 2 =
=
h
2
h
2
√
h
2
1√
2
=
sin 45◦ = cos 45◦ = 2
h
2
1
1
1√
sin 30◦
2
√
=√ =
=
3
tan 30◦ =
◦
1
cos 30
3
3
2 3
◦
Zur Schreibweise:
0
h
60◦
0 ≦ ϕ ≦ 90◦ =⇒ 0 ≦ sin ϕ ≦ 1
0 ≦ cos ϕ ≦ 1,
0 ≦ tan ϕ ≦ +∞
cos ϕ = sin(90◦ − ϕ)
ϕ
Gegenkathete g
Ankathete a
Da die Ankathete von ϕ gleich der Gegenkathete
von 90◦ − ϕ ist, gilt
sin2 ϕ + cos2 ϕ =
90◦ − ϕ
(Sinus)
h
g
h
a
h
eh
us
te n
o
p
ϕ
sin ϕ =
g
tan ϕ = =
a
g2
g1
◦
1
2
45
√
2
√
1
2
2
◦
60
√
3
√
1
2 1
1
2
und tan−1 , auf den meisten Rechnern erreichbar
mit SHIFT sin usw.
◦
90
√
4
√
1
2 0
1
2
sin α = 0,3
=⇒
α = 17,4576◦ = 17◦ 27′ 27′′
tan ϕ = 100 =⇒ ϕ = 89,42706◦ = 89◦ 25′ 37,4′′
76
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Steigung
Eine Gerade (z.B. eine Straße) steigt auf der
waagrechten Länge ∆x um die Höhe ∆y, der Steigungswinkel ϕ ist der Winkel gegen die Waagrechte. Die Steigung m ist definiert durch
m = tan ϕ =
s
∆y
ϕ
∆x
∆y
∆x
Der Zirler Berg hat die Steigung 16 %. Für den
Steigungswinkel ϕ gilt
Die Steigung wird oft in Prozent angegeben.
Vorsicht: Die Steigung m = 100% entspricht nicht
der Senkrechten!
100% = 1 = tan ϕ
=⇒
tan ϕ = 16% = 0,16
ϕ = 45◦
∆y = ∆x tan ϕ = 0,16 · 1000 m = 160 m
erg
Zirler B
Von zwei Punkten A und B auf der Erde mit
AB = 3000,00 km wird ein Punkt M auf dem
Mond anvisiert. Dabei werden die Winkel α =
60◦ 0′ 0′′ und β = 60◦ 23′ 21′′ gemessen. Gesucht
sind die Streckenlängen a = AM und b = BM.
Für die Länge s der Straße auf 160 m Höhenunterschied gilt
sin ϕ =
a
h
cos ϕ =
β
x
∆y
s
=⇒
s=
∆y
= 1013 m
sin ϕ
∆x
s
=⇒
s=
∆x
= 1013 m
cos ϕ
Oder:
b
B
F
Oder:
s=
Der Fußpunkt des Lotes von M auf AB sei F,
h = FM und x = BF. Dann gilt
h = AB + x tan α = x tan β
Mit β = 60◦ +
160 m
s
1000 m
M
A
ϕ = 9,09◦
Auf die waagrechte Länge ∆x = 1 km steigt die
Straße um
Ein Beispiel aus der Astronomie:
α
=⇒
p
∆x2 + ∆y 2 = 1013 m
Gegeben ist der Punkt P (5 8 9). Wir suchen den
Winkel ϕ, den die Gerade OP mit der xy-Ebene
einschließt.
23◦
21◦
+
= 60,38917◦ folgt
60
3600
z
AB tan α
= 1,890 · 105 km
x=
tan β − tan α
9
P
5
und AF = AB + x = 1,920 · 10 km.
AF
= 3,840 · 105 km
cos α
c
b=
= 3,825 · 105 km
cos β
a=
2
O
ϕ
8
2
y
5
F
x
Der Taschenrechner berechnet sin ϕ mit
x=
ϕ·π
180◦
sin ϕ = x −
Der Fußpunkt des Lotes
√ von P auf
√ die xy-Ebene
ist F (5 8 0), OF = 52 + 82 = 89.
und dann
x3
x5
x7
+
−
+ ...
3!
5!
7!
tan ϕ =
77
PF
9
=√
OF
89
=⇒
ϕ = 43,65◦
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Raumgeometrie
Schrägbilder
Koordinatensystem für Schrägbilder:
Dreidimensionales (räumliches) Koordinatensystem:
z
5
• Die drei Achsen stehen paarweise senkrecht
aufeinander
4
3
P(3|5|4)
2
• Orientierung der Achsen (rechte Hand):
−3
−2
−1
1
x-Achse: Daumen, y-Achse: Zeigefinger,
z-Achse: Mittelfinger
• Die x-Achse schließt mit der negativen yAchse einen 45◦ -Winkel ein.
√
• Einheit auf der x-Achse: 21 2
x
5
4
45◦1
2
3
1
−1
z
z
(Diagonale eines Kästchens)
3
2
y
2
P(x|y|z)
p
x2 + y 2 + z 2
y
O
y
x
x
F
P
Geraden und Ebenen
P
{F} = g ∩ E g
Siehe S. 27.
5
OF = x2 + y 2
Der Punkt P (x y z) hat vom Ursprung O (0 0 0)
(siehe S. 75) die Entfernung
OP =
4
g
h1
Das Lot g von P ∈
/ E auf die Ebene
E steht senkrecht auf jeder Geraden
h ⊂ E durch den Fußpunkt F.
ϕ
S
F
h2
F
E
E
PF ist die kürzeste Verbindung von P zur Ebene
E und heißt Abstand von P zu E:
P
g
d(P, E) = PF
α
Den Winkel ϕ zwischen einer Geraden g und einer
Ebene E findet man auf folgende Weise:
ϕ
S
h
E
F
f
Q
P
P ∈ g und P ∈
/ E, F ist der Fußpunkt des Lotes von P auf E, S ist
der Schnittpunkt von g mit E. Dann
ist ϕ =<
) FSP.
ϕ
α
F
Q
Der so definierte Winkel ϕ ist der kleinste Winkel,
den g mit einer beliebigen Geraden f ⊂ E durch
S einschließen kann.
Thaleskreis
g
Beweis: Es sei h = FS, f 6= h, Q der Fußpunkt
des Lotes von P auf f und α =<
) QSP. Wegen
<
) QFP = 90◦ ist PQ > PF. Zeichnet man △FSP
und △QSP in einer Ebene, dann erkennt man,
dass tatsächlich α > ϕ gilt.
Q
E
PQ = d(E, F ) F
P
Zwei Ebenen E und F , die keinen gemeinsamen
Punkt besitzen, heißen parallel. Ist P ∈ E, g das
Lot auf E in P und Q = g ∩ F , dann ist PQ der
Abstand von E und F : PQ = d(E, F ).
78
S
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Geometrische Körper
Das Prisma
Grund- und Deckfläche eines Prismas sind parallelverschobene Vielecke (also kongruente, nicht
verdrehte Vielecke in parallelen Ebenen E und
F ). Der Abstand h der Ebenen E und F ist die
Höhe des Prismas. Ist G der Inhalt der Grundbzw. Deckfläche, dann hat das Prisma das Volumen
V = Gh
F
s
h
G
E
Die Verbindungsstrecken entsprechender Punkte
der Grund-und Deckfläche heißen Seitenkanten
des Prismas. Alle Seitenkanten haben die gleiche
Länge s.
Ein Prisma heißt gerade, wenn die Seitenkanten
senkrecht auf der Grundfläche stehen. Im geraden
Prisma gilt h = s.
Alle Seitenflächen eines Prismas bilden seine
Mantelfläche.
Ein Quader ist ein gerades, vierseitiges Prisma.
Das in optischen Geräten verwendete Prisma ist
ein gerades, dreiseitiges Prisma.
Das Prinzip von Cavalieri
Zwei Körper haben das gleiche Volumen, wenn sie in gleicher Höhe die gleiche Querschnittsfläche besitzen:
A1 (h)
A1 (h) = A2 (h)
A2 (h)
für alle h
h
Die Pyramide
Rezept zum Bau einer Pyramide:
Man nehme ein Vieleck ABC... in einer Ebene
E und einen Punkt S ∈
/ E. Die vom Vieleck in
der Ebene E eingeschlossene Fläche nennen wir
die Grundfläche G der Pyramide, die Seiten des
Vielecks heißen Grundkanten und S Spitze. Dann
verbindet man S mit allen Ecken des Vielecks und
erhält so die Seitenkanten der Pyramide. Die aus
je einer Grundkante und den dazugehörenden Seitenkanten gebildeten Dreiecke schließen die Seitenflächen der Pyramide ein, alle Seitenflächen
zusammen bilden die Mantelfläche AM . Die Oberfläche der Pyramide ist AO = AM + G. Die Höhe
h der Pyramide ist der Abstand der Spitze S von
der Ebene E.
S
h
D
A
F
C
B
Eine vierseitige Pyramide mit der Spitze S, den
Grundkanten [AB], [BC], [CD] und [DA], den Seitenkanten [AS], [BS], [CS] und [DS] und der Höhe
h = SF.
Eine Pyramide heißt gerade, wenn alle Seitenkanten die gleiche Länge s haben. In einer geraden Pyramide hat jede Ecke der Grundfläche
vom
Höhenfußpunkt F die gleiche Entfernung
√
s2 − h2 , d.h. die Ecken der Grundfläche liegen
auf einem Kreis um F (Umkreis).
Die ägyptischen Pyramiden sind quadratische gerade Pyramiden (die Grundfläche ist ein Quadrat).
79
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Wir betrachten zwei Pyramiden mit gleich goßen
Grundflächen (G = G′ ) und gleicher Höhe h, deren Grundflächen in einer Ebene liegen. Aus einer
zur Grundebene parallelen Ebene E schneiden die
Pyramiden die Flächen A und A′ aus. Damit haben die Spitzen S und S’ von E den gleichen Abstand x und es folgt aus dem Strahlensatz
A
A′
A′
x2
= 2 = ′ =
G
h
G
G
x
A
A = A′
=⇒
S’
S
h
A′
G′
G
Aus dem Prinzip von Cavalieri folgt:
Zwei Pyramiden mit gleicher Höhe und
gleicher Grundfläche haben das gleiche
Volumen.
Für zwei Pyramiden mit gleicher
Grundfläche G und den Höhen h bzw.
h′ gilt:
h
V
= ′
V′
h
Beispiel zu nebenstehendem Satz:
Zerlegung einer Pyramide mit Grundfläche G, Volumen 3V und Höhe 3h in drei Pyramiden mit
Grundfläche G, Volumen V und Höhe h:
3V
3h
V
V
V
h
Zerlegung eines Würfels der Kantenlänge a durch
seine Raumdiagonalen in sechs kongruente Pyramiden der Grundfläche a2 :
Jetzt können wir das Volumen V einer beliebigen
Pyramide mit der Grundfläche G und der Höhe
h berechnen. Man betrachtet eine zweite Pyramide (gerade und quadratisch) mit gleicher Grundfläche und gleicher Höhe, d.h. a2 = G:
h′ =
h
a
2
h
V
V
a
h′
V′
a
2
G
a
a
Eine quadratische gerade Pyramide mit der
Grundfläche a2 und der Höhe a2 hat das Volumen
Aus der Abbildung und den schon bewiesenen
Sätzen (siehe auch rechts) folgt:
V =
h a3
1
1
h ′
V = a ·
= a2 h = Gh
′
h
6
3
3
2
V′ =
Eine Pyramide mit der Grundfläche G
und der Höhen h hat das Volumen
V =
a3
6
Die Cheopspyramide hat die Grundkantenlänge
a = 230 m und die Höhe h = 146 m. Ihr Volumen
ist also
1
Gh
3
V =
80
1
2
· (230 m) · 146 m = 2,57 · 106 m3
3
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 9
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Zylinder
Ein Zylinder ist ein gerades Prisma“ mit einem
”
Kreis (Radius r) als Grund- und Deckfläche und
der Höhe h.
Die Abwicklung eines Körpers erhält man, wenn
man seine Oberfläche, falls möglich, in einer Ebene ausbreitet. Die zwischen Grund- und Deckfläche liegende Mantelfläche eines Zylinders kann
man einfach in eine Ebene abrollen und erhält damit ein Rechteck mit den Seiten h und 2rπ. Der
Inhalt der Mantelfläche ist also
Abwicklung
der Oberfläche
r2 π
Mantelfläche
h
h
2rπ
r
r
AM = 2rπh
und die Oberfläche ist
Beispiel: Welchen Radius und welche Höhe hat
eine Getränkedose mit V = 0,33 cm3 und h = 3r?
r
3 V
2
3
V = r πh = 3r π =⇒ r =
= 3,27 cm
3π
h = 3r = 9,81 cm
AO = 2rπh + 2r2 π = 2rπ(h + r)
Das Volumen des Zylinders ist (Grundfläche mal
Höhe)
V = r2 πh
Der Kegel
Abwicklung
der Mantelfläche
Ein Kegel (genauer ein gerader Kreiskegel) ist eine
gerade Pyramide“ mit einem Kreis (Radius r)
”
als Grundfläche und der Höhe h. Eine Seitenkante
des Kegels ist die Strecke von der Spitze S zu
einem Punkt auf dem Grundkreis. Für die Länge
s der Seitenkante gilt
p
s = r 2 + h2
S
s
s
ϕ
h
AM
2rπ
Das Volumen des Kegels ist
V =
G
1 2
r πh
3
Die Abwicklung der Mantelfläche des Kegels ist
ein Kreissektor mit dem Radius s und der Bogenlänge b = 2rπ. Der Inhalt der Mantelfläche ist
also
b
· s2 π = rsπ
AM =
2πs
und die Oberfläche ist
r
s
Beispiel: Aus einem halbkreisförmigen Blatt Papier mit Radius s wird die Mantelfläche eines Kegels gebogen.
r
s
ϕ = · 360◦ = 180◦ =⇒ r =
s
2
Die Mantelfläche ist
AO = rsπ + r2 π = rπ(s + r)
AM =
Für den Öffnungswinkel ϕ der abgewickelten
Mantelfläche gilt
s2 π
,
2
die Oberfläche
r
2rπ
ϕ = · 360◦ =
s
s
AO =
3s2 π
s2 π
+ r2 π =
2
4
Das Volumen des Kegels ist
r
s2 π
s3 π √
s2
1 2
=
s2 −
3
V = r πh =
3
12
4
24
81
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Geometrie
Beispiele
Definitionen und Regeln
Kreisfläche und Umfang
π-Berechnung (Streifenmethode)
Die
Funktionsgleichung
der Kreislinie: Aus dem
Pythagoras folgt
Der Einheitskreis (Radius r = 1) hat die Fläche
π. Es wird näherungsweise die Fläche des viertelten Einheitskreises berechnet und mit 4 multipliziert. Dazu zerlegt man den Viertelkreis in n
Streifen der Breite ∆x = n1 . Die Höhe der Streifen
ist der Funktionswert in der Mitte des jeweiligen
Intervalls:
x1 =
y
1
Gf
1
x2 + f (x)2 = 12
p
f (x) = 1 − x2
f (x)
1 x
x
y
1
3
2n − 1
, x2 =
, ... xn =
2n
2n
2n
1
∆x =
Die Fläche des Streifens mit der Nummer k ist
dann
q
1
1 − x2k
Ak = ∆x · f (xk ) =
n
1
n
f (x)
f (x1 )
f (x2 )
Den mit dieser Methode berechneten Näherungswert für π nennen wir pn :
f (x3 )
f (xn )
4
[f (x1 ) + f (x2 ) + ... + f (xn )] =
n
q
p
4
2
2
1 − x1 + ... + 1 − xn
=
n
pn =
x1
1
n
x2
2
n
x3
3
n
...
xn
1
x
pn ist um so genauer, je größer n gewählt wird:
n
5
10
100
1000
10000
100000
pn
δrel
3,172
3,1524
3,14194
3,14160
3,1415930
3,141592664
0,0097
0,0034
1,1 · 10−4
3,5 · 10−6
1,1 · 10−7
3,5 · 10−9
p5 =
Rechenzeit
in s
0,005
0,010
0,100
1,0
10
100
Mit π = 3,141592654... folgt für den relativen
Fehler unseres Näherungswertes
δrel =
Man braucht die 100-fache Rechenzeit, um das
Ergebnis um drei Dezimalen zu verbessern (δrel =
10−s entspricht s Dezimalen an Genauigkeit). Ist
t4 die Rechenzeit für 4 Dezimalen, dann ist die
Rechenzeit für s Dezimalen
ts = t4 · 10
p
p
4 hp
1 − 0,12 + 1 − 0,32 + 1 − 0,52 +
5
i
p
p
+ 1 − 0,72 + 1 − 0,92 = 3,172
p5 − π
= 0,0097 = 0,97%
π
Für 22 Dezimalen von π braucht man also
t22 = t4 · 10
2·18
3
s = 1011 s ≈ 3 · 103 a.
Für die Berechnung einer größeren Stellenzahl
von π ist die Streifenmethode also völlig ungeeignet.
2(s−4)
3
Die Rechenzeit steigt exponentiell mit der Stellenzahl!
82
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
π-Berechnung nach Archimedes
s′1
Wir nähern den Umfang U = 2π des Einheitskreises durch die Umfänge ein- und umbeschriebener
regulärer n-Ecke an. Unser erstes Vieleck (k = 1)
ist das Quadrat (n = 4). Dann verdoppeln wir bei
jedem Schritt die Eckenzahl, d.h. n = 2k+1 . Die
Seitenlänge des einbeschriebenen n-Ecks ist sk ,
die des umbeschriebenen s′k . Der Umfang des einbeschriebenen n-Ecks ist Uk , die des umbeschriebenen Uk′ :
s2
s1
1
1
k = 1, n = 21+1 = 4
Uk′ = ns′k = 2k+1 s′k
Uk = nsk = 2k+1 sk ,
s′2
k = 2, n = 22+1 = 8
s′k
Aus dem Strahlensatz folgt
s′k
1
=q
sk
1−
sk
s′k = q
1−
=⇒
s2k
4
U′
Uk
<π< k
2
2
s2k
4
sk
2
1
pk
sk
πk =
r
1−
pk
2,828
3,0615
3,1415914
3,141592653589
k
πk =
1
20
30
4,000
3,31371
3,1415951
3,141592653592
pk +p′k
2
3,414
3,14159265359038
3,14159265358979323902
pk + p′k
2
s′ − sk
p′k − pk
= 2k k
=
2
q 22
s
1 − 1 − 4k
= 2k−1 sk q
s2
1 − 4k
δk =
s2k
4
p′k
s′k
als Näherungswert für π, dann ist der Fehler sicher kleiner als
Beginnend mit dem Quadrat (k = 1) folgt
√
√
s1 = 2, s′1 = 2 =⇒ 2 2 < π < 4
k
1
2
10
20
s2
k
4
Nimmt man den Mittelwert
Rekursionsformel zur Berechnung von sk :
2−2
1−
π
p′k
Wir berechnen jetzt sk+1 aus sk .
r
s2
Mit x = 1 − 1 − k folgt
4
r sk 2
+ x2 =
sk+1 =
2
v
!2
r
u
u s2
s2k
t
k
=
+ 1− 1−
=
4
4
s
r
s2
s2
s2k
+1−2 1− k +1− k
=
4
4
4
sk+1 =
1
r
=⇒
2k sk < π < 2k s′k
|{z}
|{z}
s
x
s k +1
sk
Beachtet man sk ≪ 1 für größere k (für k = 20
π
π
−6
ist sk ≈ 2π
), dann folgt
n = 2k = 220 = 3 · 10
√
h
mit 1 + h ≈ 1 + 2 (siehe S. 63)
s2k
1
−
1
−
8
π3
π
≈ 2k+4
δk ≈ 2k−1 k
2
2
2
s
1− k
| {z 8}
≈1
δk
0,586
0,1261
1,8 · 10−6
1,8 · 10−12
δecht = π − πk
0,087
5,9 · 10−13
5,6 · 10−19
83
k = 20
=⇒
δ20 ≈ 1,8 · 10−12
Mit 20 Schritten erhält man also eine Genauigkeit
von 12 Stellen, d.h. ungefähr 0,6 Stellen Verbesserung pro Schritt. Ist t1 die Rechenzeit für einen
Schritt, dann braucht man für s Dezimalen Get1
· s, die nur noch
nauigkeit die Rechenzeit ts = 0,6
linear mit der Stellenzahl wächst. (Berücksichtigt
man noch, dass die Rechenoperationen von Zahlen mit vielen Ziffern länger dauern, ist ts proportional zu s lg s.)
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Kreissektor, Bogenmaß
AS ist die Fläche und b die Bogenlänge eines
Kreissektors mit Radius r und Öffnungswinkel ϕ.
A ist die Fläche des ganzen Kreises und U = 2rπ
der Kreisumfang. Aus dem Verhältnis
b
AS
r
b
b
ϕ
AS
=
=
=
A
U
2rπ
360◦
ϕ
folgt
AS =
Kreissektor oder
Kreisausschnitt
ϕ
ϕ · 2rπ
ϕrπ
· A und b =
=
360◦
360◦
180◦
Da b proportional zu ϕ ist, kann b als Maß für den
Winkel verwendet werden. Man definiert das Bogenmaß des Winkels ϕ als Bogenlänge eines Kreissektors mit Radius 1 und Öffnungswinkel ϕ:
ϕ=
ϕπ
180◦
=⇒
180◦
= 57,296◦
π
1
π
sin = sin 30◦ =
6
2
180◦ = π
1=
Zur Messung von Winkeln verwendet
man das Gradmaß und das Bogenmaß.
Zur Umrechnung muss man sich nur eine Formel merken:
180◦ = π
180◦ = π,
1◦ =
π
,
180
1=
ϕ
360◦
270◦
180◦
90◦
60◦
45◦
30◦
ϕ
2π
3π
2
π
π
2
π
3
π
4
π
6
Achtung!
Es heißt wirklich 180◦ = π und nicht 180◦ =
b π.
180◦
π
=
π
180◦
Zwei Orte auf dem Äquator (West- und Ostküste
von Afrika) haben die Längen λ1 = 9◦ und λ2 =
43◦ . Mit dem Erdradius R = 6380 km ist ihre
Entfernung
Mit den neuen Formeln vereinfachen sich Ausdrücke für Bogenlänge und Fläche eines Kreissektors (Radius r):
x = R(λ2 − λ1 ) = R · 34◦ = R ·
b = rϕ
x = 6380 km · 34◦ = 216920 km◦
1 2
1
r ϕ = br
2
2
ist zwar auch richtig, nur muss die ungewohnte
Längeneinheit km◦ noch umgerechnet werden:
(Zum leichten Merken: Wie Dreiecksfläche mit
Grundlinie b und Höhe r.)
x = 216920 km◦ = 216920 km ·
Kreissegment (Kreisabschnitt)
ϕ
Länge der Sehne: s = r sin
2
Höhe des Segments: h = r − r cos
34π
= 3786 km
180
Die Rechnung
ϕ
ϕ
1
AS =
·A=
· r2 π = r2 ϕ
360◦
2π
2
AS =
π
π
=
180
6
30◦ = 30 · 1◦ = 30 ·
π
= 3786 km
180
b
ϕ
2
h
ASeg
s
ASeg = ASektor − ADreieck =
1
1
= r2 ϕ − s(r − h) =
2
2
rb − s(r − h)
=
2
r
ϕ
2
ϕ
2
ϕ
Kreissegment oder
Kreisabschnitt
84
r
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Kugel
Definition der Kugel
Beispiel:
Die Kugeloberfläche K ist die Menge aller Punkte P, die von einem festen Punkt M (dem Mittelpunkt) die gleiche Entfernung r (Radius) haben:
Welcher Punkt A (3 4 z) liegt auf der Kugel um
den Ursprung mit Radius r = 13?
√
32 + 42 + z 2 = 132 =⇒ z = ± 144 = ±12
K = { P | MP = r}
Ist M der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems, dann folgt aus dem dreidimensionalen Pythagoras (siehe S. 78)
P (x y z) ∈ K
⇐⇒
oder A (3 4 − 12)
A (3 4 12)
Eine Ebene E schneidet eine Kugel K in einem
Kreis k:
E∩K =k
x2 + y 2 + z 2 = r2
Liegt der Kugelmittelpunkt in E, nennt man k
einen Großkreis. Größkreise haben den gleichen
Radius wie die Kugel.
Das Kugelvolumen
Alle Punkte der Kugeloberfläche haben vom Mittelpunkt die gleiche Entfernung r (Radius). Um
das Volumen V einer Kugel mit Radius r zu
berechnen, betrachtet man als Vergleichskörper
einen Zylinder mit Radius r und Höhe h = 2r,
von dem oben und unten ein Kegel herausgefräst
wurde (wie ein Vulkankrater). Eine Ebene parallel zur Grundfläche des Zylinders schneidet aus
dem angebohrten Zylinder die Fläche A1 (Kreisring) und aus der Kugel die Fläche A2 (Kreis)
aus. Wegen x = y (45◦ -Winkel) gilt:
2
2
2
2
R
x
A1
A2
y
2r
r
r
r
R
2
A1 = r π − x π = (r − y )π = R π = A2
y
x
y
r
Aus dem Prinzip von Cavalieri (siehe S. 79) folgt
dann, dass das Kugelvolumen V gleich dem Volumen des angebohrten Zylinders ist:
V = VZylinder − 2VKegel =
1
= r2 π · 2r − 2 · r2 · r =
3
2
4
= 2r3 π − r3 π = r3 π
3
3
V =
Beispiele:
Der Erdradius ist R = 6380 km, das Volumen der
Erde also
4π 3
r
3
VErd =
4π 3
R = 1,09 · 1012 km3
3
Welche Kantenlänge a hat ein Würfel mit dem
gleichen Volumen wie eine Kugel mit Radius r?
r
4π 3
3 4π
3
a =
r
=⇒ a =
r = 1,612 r
3
3
Welchen Radius hat eine Kugel mit dem Volumen
V = 1 m3 ?
r
4π 3
3 3V
r =V
=⇒ r =
= 0,620 m
3
4π
85
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Kugeloberfläche
Zur Berechnung der Kugeloberfläche stellen wir
uns einen kugelförmigen Wüstenplaneten vor. Ein
Geländefahrzeug (Sandbuggy) mit der Spurbreite
x (Abstand der Räder auf einer Achse) umrundet
den Nordpol auf einem Breitenkreis. Wegen (siehe
nebenstehende Abbildung) ϕ′ = 90◦ − ε = ϕ folgt
(ähnliche Dreiecke)
z
∆y
=
r
x
=⇒
N
z
∆A
r
r∆y
z=
x
x
Die von den Reifenspuren eingeschlossene Fläche
∆A ist in sehr guter Näherung (die Wölbung“
”
der Fläche kann wegen x ≪ r praktisch vernachlässigt werden)
r∆y
πx = 2rπ∆y
∆A ≈ 2zπ · x = 2 ·
x
x
r
z
ϕ′
ε
ϕ
x
∆y
(1)
r
∆A ist nicht von der Spurbreite x, sondern nur
von der Dicke ∆y in Richtung der Kugelachse abhängig! Die Mantelfläche einer Kugelschicht
der Dicke h setzen wir aus n dünnen Scheiben der
Dicke ∆y zusammen (n∆y = h). Verwendet man
immer dünnere und dafür immer mehr Scheiben,
wird aus dem ≈-Zeichen in (1) das Gleichheitszeichen:
h
Ah
ϕ′
∆y
Ein Spezialfall der Kugelschicht ist die Kugelhaube oder das Kugelsegment.
Für den zur Kugelhaube
gehörenden Teil der Kugeloberfläche gilt dann auch
Ah = n · ∆A = n∆y 2rπ = 2rπh
|{z}
h
Die Mantelfläche einer Kugelschicht der
Dicke h mit dem Kugelradius r ist
A = 2rπh
Ah = 2rπh
Für h = 2r erhält man die gesamte Oberfläche
der Kugel
A = 4πr2
86
Ah
Kugelhaube
h
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Trigonometrie
Winkelfunktionen für beliebige Winkel
y
k ist der Einheitskreis (r = 1) mit dem Koordinatenursprung O als Mittelpunkt, E (1 0) markiert die Einheit auf der x-Achse. P (x y) ist
ein beliebiger Punkt auf der Kreislinie (P ∈ k).
ϕ =<
) EOP ist der Winkel zwischen dem Strahl
[OP und der x-Achse, im Gegenuhrzeigersinn positiv gezählt.
Definition:
P (x y) ∈ k
=⇒
sin ϕ = y,
1
y
k
P (x y)
1
sin ϕ
ϕ
O
E
1
cos ϕ x
0 ≦ ϕ ≦ 90◦
sin ϕ ≧ 0
cos ϕ ≧ 0
x
cos ϕ = x
Für cos ϕ 6= 0 definiert man:
tan ϕ =
sin ϕ
cos ϕ
y
y
y
1
1
1
P
y
1
1
sin ϕ
ϕ
x
cos ϕ
1
x
ϕ
x
O
cos ϕ
x
1
ϕ
x
cos ϕ
sin ϕ
1
x
sin ϕ
1
90◦ < ϕ ≦ 180◦
sin ϕ ≧ 0
cos ϕ < 0
◦
◦
ϕ
0
ϕ
0
sin ϕ
0
45◦
30
cos ϕ
1
tan ϕ
0
π
6
1
2
π
4
√
1
2 3
√
1
3 3
√
1
2 2
√
1
2 2
1
60◦
90◦
π
3
π
2
√
1
2 3
1
2
√
3
180◦ < ϕ ≦ 270◦
sin ϕ < 0
cos ϕ ≦ 0
◦
◦
120
135
150◦
180◦
2π
3
3π
4
5π
6
1
2
√
− 12 3
√
− 13 3
π
1
√
1
2 3
0
− 21
−
y
y
P
√
1
2 2
√
− 12 2
√
− 3
−1
270◦ < ϕ ≦ 360◦
sin ϕ < 0
cos ϕ > 0
◦
◦
210
0
7π
6
− 21
√
− 12 3
√
1
3 3
0
−1
ϕ
270◦
300◦
315◦
330◦
360◦
4500◦
540◦
630◦
720◦
ϕ
3π
2
3π
7π
2
4π
0
1
0
−1
0
cos ϕ
0
1
0
−1
0
1
tan ϕ
−
11π
6
− 21
√
1
2 3
√
− 31 3
5π
2
−1
7π
4
√
− 12 2
√
1
2 2
2π
sin ϕ
5π
3
√
− 12 3
1
2
0
−
0
−
0
√
− 3
−1
P
225
5π
4
√
− 21 2
√
− 21 2
240◦
4π
3
√
− 12 3
− 12
1
√
3
−30◦
−60◦
− π6
− π3
√
− 12 3
− 21
√
1
2 3
√
− 13 3
1
2
√
− 3
y
−1 ≦ sin ϕ ≦ 1
−1 ≦ cos ϕ ≦ 1
sin(−ϕ) = − sin ϕ
−∞ ≦ tan ϕ ≦ +∞
cos(−ϕ) = cos ϕ
87
1
ϕ
sin ϕ
−ϕ
− sin ϕ
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Für k ∈ Z gilt:
y
sin(ϕ + k · 360◦ ) = sin(ϕ + 2kπ) = sin ϕ
1
y
k
P (x y)
cos(ϕ + k · 360◦) = cos(ϕ + 2kπ) = cos ϕ
1
sin ϕ
Beispiel:
1000 : 2π = 159,155
E
1
x
sin 1000◦ = sin(1000◦ − 2 · 360◦) = sin 280◦ =
= − sin(360◦ − 280◦ ) = − sin 80◦
x
ϕ
=⇒
sin 1000 = sin(1000 − 159 · 2π) = sin 0,9735 =
= sin 0,3099 π
sin ϕ = sin(ϕ − 360◦ )
sin x und cos x sind periodische Funktionen mit
der Periodenlänge 2π = 360◦ .
Der Graf von cos x ist der um π2 nach links verschobene Graf von sin x =⇒
π
cos x = sin x +
2
y
π
2
π
6
−π
cos x
sin x
1
0,5
π
2π
x
−1
Die allgemeine Sinusfunktion
y
f (x) = A sin(kx + ϕ) + c =
h ϕ i
+c
= A sin k x +
k
λ
A
P
c
c
P(a|c)
A heißt Amplitude, ϕ ist die Phase.
a
x
f ist periodisch mit der Periodenlänge
λ=
2π
k
Beispiel: f (x) = 2 sin
Die Amplitude ist 2.
d.h. f (x + nλ) = f (x) für alle n ∈ Z.
f (x) = c
für
mit
a=−
x=a+n·
für
x=a+
ϕ
k
λ
, n ∈ Z.
2
a=−
λ
+ nλ, n ∈ Z
4
− π2
π
4
= 2,
also P(2|1).
y
Minima:
f (x) = c − A
π
+1
2
π
2π
folgt λ = π = 8.
4
4
π
Mit der Phase ϕ = − und c = 1 folgt für den
2
Ansatzpunkt P(a|c) mit
Maxima:
f (x) = c + A
4
·x−
Mit k =
Ansatzpunkt:
P (a c)
π
λ
3
für
x=a−
λ
+ nλ, n ∈ Z
4
A
2
P
1
λ
4
0
m1
88
2
4
6
8
10
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Wahrscheinlichkeit
Definitionen und Regeln
Beispiele
Vierfeldertafel und Baumdiagramm
Beispiel: In einem Gebirgsdorf mit insgesamt 3000
Einwohnern leben fünf mal so viele Gäste (E)
wie Einheimische (E). 60% der Gäste tragen
einen Trachtenhut, dagegen nur 20% der Einheimischen. H ist die Menge der Hutträger.
Eine Menge Ω wird nach zwei Kriterien in je
zwei Teilmengen A und A bzw. B und B zerlegt. Wählt man aus Ω zufällig ein Element aus,
ist Ω der Ergebnisraum eines Zufallsexperiments
und die Teilmengen A, A, B, B sind Ereignisse dieses Experiments. Die absoluten bzw. relativen Häufigkeiten (Wahrscheinlichkeiten) der Ereignisse kann man in einer Vierfeldertafel darstellen (siehe S. 55).
Ω
A
A
B
P (A ∩ B)
P (A ∩ B)
P (B)
P (A ∩ B)
P (A ∩ B)
P (B)
P (A)
P (A)
1
B
E
H
A
B
P (A ∩ B)
P (A ∩ B)
P (A∩B)
P (A)
P (A∩B)
P (A)
B
B
P (A ∩ B)
P (A∩B)
P (B)
E
E
H
1
30
15
30
16
30
H
4
30
10
30
14
30
5
30
25
30
1
Ω
E
E
H
100
1500
1600
H
400
1000
1400
500
2500
3000
Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein
zufällig getroffener Nichthutträger ein Einheimischer ist?
B
P (A∩B)
P (B)
P (A∩B)
P (B)
10
30
Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein
zufällig getroffener Hutträger ein Einheimischer
ist?
|E ∩ H|
100
1
PH (E) =
=
=
|H|
1600
16
P (B)
B
H
15
30
Ω
P (A ∩ B)
Vertauscht man A und B im Baumdiagramm,
dann erhält man das inverse oder umgekehrte
Baumdiagramm:
P (B)
H
4
30
Vierfeldertafel mit absoluten Häufigkeiten:
A
P (A∩B)
P (A)
2
5
3
5
H
1
30
P (A)
P (A)
B
E
4
5
1
5
Darstellung als Baumdiagramm:
P (A∩B)
P (A)
5
6
1
6
PH (E) =
P (A∩B)
P (B)
|E ∩ H|
2
400
=
=
1400
7
|H|
Das inverse (umgekehrte) Baumdiagramm:
A
P (A ∩ B)
A
P (A ∩ B)
A
P (A ∩ B)
A
14
30
16
30
P (A ∩ B)
H
1
16
E
1
30
89
H
15
16
E
15
30
5
7
2
7
E
4
30
E
10
30
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die bedingte Wahrscheinlichkeit
Absolute Wahrscheinlichkeiten sind bedingte
Wahrscheinlichkeiten mit der Bedingung Ω:
Eine Menge Ω wird nach zwei Kriterien in je zwei
Teilmengen A und A bzw. B und B zerlegt. Die
Wahrscheinlichkeit für das Eintreten von B unter
der Voraussetzung, dass A schon eingetreten ist,
heißt bedingte Wahrscheinlichkeit von B unter der
Bedingung A:
PA (B) =
|A ∩ B|
=
|A|
PA (B) =
PA (B) =
PA (B) =
|A∩B|
|Ω|
|A|
|Ω|
P (A) = PΩ (A),
Im Baumdiagramm ist die Summe der
(bedingten) Wahrscheinlichkeiten aller
Zweige, die von einem Verzweigungspunkt ausgehen, gleich eins.
(3. Pfadregel)
P (A ∩ B)
P (A)
=
z.B.:
• Baumdiagramm, inverses Baumdiagramm
und Vierfeldertafel zeichnen
|A ∩ B|
P (A ∩ B)
=
|A|
P (A)
• Gegebene Wahrscheinlichkeiten eintragen
|A ∩ B|
P (A ∩ B)
=
|A|
P (A)
• Mit Hilfe der drei Pfadregeln die restlichen
Wahrscheinlichkeiten eintragen
• Zur besseren Veranschaulichung und Überprüfung die Vierfeldertafel der absoluten
Häufigkeiten erstellen
P (A)
A
PA (B) + PA (B) = 1
Strategie zum Lösen von Aufgaben:
P (A ∩ B)
|A ∩ B|
=
|A|
P (A)
P (A)
P (B) = PΩ (B)
A
Beispiel:
PA (B)
PA (B)
B
B
P (A ∩ B)
P (A ∩ B)
PA (B)
PA (B)
B
P (A ∩ B) = 0,24, PA (B) = 0,4, PB (A) = 0,75
P (A ∩ B)
A
P (A ∩ B)
0,4
B
0,16
Analog:
PB (A) =
PB (A) =
PB (A) =
PB (A) =
P (B ∩ A)
|B ∩ A|
=
|B|
P (B)
PB (A)
A
P (A ∩ B)
B
A
P (A ∩ B)
A
P (A ∩ B)
B
0,12
A
0,16
B
0,75
A
0,48
1
3
2
3
A
0,24
A
0,12
P (B) = 1 − 0,64 = 0,36
0,24
2
PB (A) =
=
0,36
3
2
1
PB (A) = 1 − =
3
3
P (A ∩ B) = 0,64 · 0,75 = 0,48
1
P (A ∩ B) = 0,36 · = 0,12
3
0,48 und 0,12 ins andere Diagramm übertragen
0,12
PA (B) =
= 0,2
0,6
PA (B) = 1 − 0,2 = 0,8
P (B)
PB (A)
B
0,48
0,25
P (A) = 1 − 0,4 = 0,6
P (A ∩ B)
|A ∩ B|
=
|B|
P (B)
PB (A)
B
0,24
0,2
P (A ∩ B) = 0,4 · 0,4 = 0,16
0,16 und 0,24 ins inverse Diagramm übertragen
PB (A) = 1 − 0,75 = 0,25
0,16
= 0,64
P (B) =
0,25
P (B ∩ A)
|B ∩ A|
=
|B|
P (B)
B
B
A
0,6 0,8
0,36
0,64
PA (B) = 1 − 0,4 = 0,6
0,24
= 0,4
P (A) =
0,6
|A ∩ B|
P (A ∩ B)
=
|B|
P (B)
P (B)
0,6
0,4
B
PB (A)
A
P (A ∩ B)
90
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Algebra
Beispiele
Definitionen und Regeln
Exponentialfunktion
1
3
Beispiel: a0 = − , ∆t = 2, ∆a =
2
2
Lineares Wachstum
Eine Größe a wächst in gleichen Zeiten ∆t immer
um den gleichen Betrag ∆a. Mit a(0) = a0 und
a(n · ∆t) = an folgt
3
1
an = fa (n) = − + n ·
2
2
1 ∆a
1 3
a(tn ) = − +
· tn = − + · tn
2
∆t
2 4
1 3
g(t) = − + · t
2 4
an = a0 + n · ∆a
Die Menge aller Zahlenpaare (n|an ) bilden die
Funktion
an
n → an = fa (n) = a0 + n · ∆a
fa :
7
6
5
mit der Definitionsmenge N0 . fa heißt arithmetische Folge (jede Funktion mit D = N oder
D = N0 heißt Folge).
Man kann a auch als Funktion der Zeiten
4
3
2
1
tn = n∆t
1
−1
3
2
n
5
4
betrachten:
tn → an = a(tn ) = a0 +
a:
∆a
· tn
∆t
7
6
Der Graf Ga von a besteht aus den Punkten
(tn |an ). Ga ist eine Teilmenge des Grafen (der
Geraden) von
g:
t → g(t) = a0 +
∆a
· t,
∆t
4
2
t∈R
−1
6
10
8
t
3, 7, 11, ... , 43
a0 = 3, ∆a = 4, n = 10
oder an = 3 + n · 4
10
X
n(n + 1)
2
k=0
Die arithmetische Reihe ist die Summe der ersten
n + 1 Zahlen einer arithmetischen Folge:
n
X
4
2
Beispiele arithmetischer Folgen und Reihen:
Nach Gauss ist die Summe der n ersten natürlichen Zahlen
k=1
∆t
1
oder ak+1 − ak = ∆a
k = 1 + 2 + ... + n =
∆a
3
Die Differenz zweier aufeinanderfolgender Zahlen einer arithmetischen Folge
ist konstant.
n
X
Gg
5
Rekursive Definition der arithmetischen Folge:
ak+1 = ak + ∆a
Ga
a
ak = 11 · 3 + 4 ·
10 · 11
= 253
2
99, 90, 81, ... , −99
oder
ak = a0 + a1 + a2 + ... + an =
a0 = 99, ∆a = −9, n = 22
an = 99 − n · 9
22
X
k=0
= a0 + (a0 + ∆a) + ... + (a0 + n∆a) =
k=0
n(n + 1)
= (n + 1)a0 + ∆a ·
2
91
ak = 23 · 99 + (−9) ·
22 · 23
=0
2
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Exponentielles Wachstum
Beispiel: Ein Betrag von 500 € wird langfristig so
angelegt, dass er in 10 a um 50% wächst:
Eine Größe a wächst in gleichen Zeiten ∆t immer
um den gleichen Faktor q. Mit a(0) = a0 und
a(n · ∆t) = an folgt
a0 = 500,
α=
Die Menge aller Zahlenpaare (n|an ) bilden die
Funktion
g(t) = 500 · 1,50,1t
n → an = fa (n) = a0 · q n
Nach 1 a:
g(1) = 500 · 1,50,1 = 500 · 1,04138 = 520,69
Der jährliche Zins beträgt also 4,138%.
tn = n∆t
tn
1
betrachten. Wegen n =
folgt mit α =
∆t
∆t
tn → an = a(tn ) = a0 · q αtn
αt
t → g(t) = a0 · q ,
a
in
Tsd.
6
5
4
Der Graf Ga von a besteht aus den Punkten
(tn |an ). Ga ist eine Teilmenge des Grafen von
g:
1
= 0,1
∆t
a(tn ) = 500 · 1,50,1tn
mit der Definitionsmenge N0 . fa heißt geometrische Folge.
Man kann a auch als Funktion der Zeiten
a:
∆t = 10
an = 500 · 1,5n
an = a0 · q n
fa :
q = 1,5,
Gg
3
t∈R
2
Rekursive Definition der geometrischen Folge:
1
ak+1 = ak · q
oder
ak+1
=q
ak
a0
0
Der Quotient zweier aufeinanderfolgender Zahlen einer geometrischen Folge ist
konstant.
10
20
Beispiel: a0 = 1, q =
Folgende Summenformel beweist man leicht
durch Ausmultiplizieren:
n
X
q n = 1 + q + q 2 + ... + q n =
k=0
n
X
q n+1 − 1
q−1
k=0
a0 q n = a0 ·
k=0
k=0
a0 q n =
0
a0
1−q
92
1
2n
1
1−
a1
a0
q n+1 − 1
q−1
n→∞
a0 q n =
∞
X
1
60
1
2
1
2n+1 − 1
1
2 −1
k=0
Für |q| < 1 wird |q n | immer kleiner, wenn n immer größer wird. Im Grenzfall n → ∞ geht q n
gegen 0. Schreibweise (lim steht für Limes oder
Grenzwert):
lim q n = 0
∞
X
a0 q n =
50
40
an =
Die geometrische Reihe ist die Summe der ersten
n + 1 Zahlen einer geometrischen Folge:
n
X
30
=2−
1
2
1
2n
=2
a2 a3
1,5 1,75
2
t
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Der Logarithmus
23 = 8
Für a > 0 und a 6= 1 definiert man den Logarithmus von b zur Basis a als Lösung der Gleichung
ax = b:
x = loga b
n
lg 10 = n,
log2 8 = 3
lg 100 = 2,
lg 1000 = 3
a5 b 3
= 5 + 3 loga b − 7 loga c
c7
1
lg 10
=
5x = 10 =⇒ x = log5 10 =
lg 5
lg 5
√
1
5
x5 = 10 =⇒ x = 10 5 = 10
loga
ax = b
⇐⇒
=⇒
Den Logarithmus zur Basis zehn (Zehnerlogarithmus) kürzt man durch das Zeichen lg ab:
lg x = log10 x
Exponentialgleichungen:
Aus den Potenzgesetzen folgen die Rechenregeln
für Logarithmen:
43x = 2 · 52x | lg
3x · lg 4 = lg 2 + 2x · lg 5
x(3 lg 4 − 2 lg 5) = lg 2
lg 2
x=
≈ 0,737
3 lg 4 − 2 lg 5
loga (bc) = loga b + loga c
b
loga = loga b − loga c
c
loga 1 = 0
loga a = 1
1
loga = − loga c
c
loga bc = c loga b
32x − 21 · 3x = −54
2
(3x ) − 21 · 3x = −54
Substitution: 3x = y
Speziell für Zehnerlogarithmen:
y 2 − 21y = −54
2
212
21
21
= −54 +
y+
y2 − 2 ·
2
2
4
2
21
225
y−
=
2
4
lg(bc) = lg b + lg c
b
lg = lg b − lg c
c
lg 1 = 0
lg 10 = 1
1
lg = − lg c
c
lg bc = c lg b
Umrechnen auf eine andere Basis:
loga b =
loga b =
x3 = 175
1
x = 175 3 ≈ 5,593
log2 x3 + 2 · log3 x = 5
log2 x
=5
3 log2 x + 2 ·
log2 3
2
log2 x 3 +
=5
log2 3
lg x
1
2
3
4
=⇒
logx 175 = 3
lg b
lg a
y
−0,2
−0,4
−0,6
−0,8
−1
y2 = 3x2 = 18
x1 = 3
lg 18
x2 =
≈ 2,6309
lg 3
2 · logx 5 + logx 7 = 3
logx 52 · 7 = 3
Die Logarithmusfunktion f (x) = loga x hat die
Definitionsmenge D = R+ und enthält für alle
a ∈ R+ \ {1} den Punkt (1|0).
0,8
0,6
0,4
0,2
=⇒
Logarithmusgleichungen:
logc b
logc a
Mit c = 10:
y1 = 3 x1 = 3
5
6
x
log2 x =
x=2
93
5
3+
3+
2
log2 3
5
2
log2 3
≈ 2,2551
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Exponentialfunktionen a · bαx für a = 1,
b = 1,5 und α = 1 (f ) bzw. α = −1 (g):
Die Exponentialfunktion
Eine Funktion f mit der Gleichung
y
f (x) = a · bαx
mit b > 0, b 6= 1
6
g(x) = 1,5−x
heißt Exponentialfunktion.
Eigenschaften der Exponentialfunktion
5
f (x) = 1,5x
4
f (x) = a · bαx
3
2
für a > 0:
f (0) = a
für alle x ∈ R
für α > 0
f (x) > 0
lim f (x) = +∞
x→∞
lim f (x) = 0
für
α>0
lim f (x) = 0
für
α<0
für
α<0
x→−∞
x→∞
lim f (x) = +∞
x→−∞
f (x + c) = b
c=
logb
α
1
2
=−
c=−
log1,5 2
lg 2
=
≈ 1,71
−1
lg 1,5
Radioaktiver Zerfall:
Ein radioaktives Material besteht zur Zeit t0 = 0
aus N0 Atomen. In der Zeit T (Halbwertszeit)
zerfällt die Hälfte der vorhandenen Atome. Zur
Zeit t sind noch N Atome des ürsprünglichen Materials vorhanden:
Tt
1
t
N (t) = N0 ·
= N0 · 2 − T
2
ist, dann erhält
logb 2
α
T ist das Halbierungsintervall, d.h.
Zum Beispiel
2 = 10
x log10 2
= 10
N (t + T ) =
x lg 2
1
· N (t)
2
N
1020
Handhabung großer Zahlen:
55
x
Halbierungsintervall bei g:
Wechsel der Basis bei einer Exponentialfunktion:
x
b = slogs b =⇒ bx = slogs b = sx logs b
x
4
3
log1,5 2
lg 2
=
≈ 1,71
1
lg 1,5
c=
Schreitet man auf der x-Achse immer um den
Wert c voran, multipliziert sich der Funktionswert immer mit der gleichen Zahl bαc . Man kann
c so wählen (Verdopplungsintervall), dass bαc = 2
ist:
logb 2
bαc = 2 =⇒ c =
α
1
2
2
1
0
Verdopplungsintervall bei f :
· f (x)
Wählt man c so , dass bαc =
man das Halbierungsintervall
−1
f (x) = 1,5x
x
2
−x
g(x) = 1,5 =
3
f (x + c) = abα(x+c) = abαx+αc = bαc · abαx
αc
−2
−3
T
4
3125
x=5 =5
lg x = 3125 · lg 5 = 2184,281264
x = 102184,281264 = 100,281264 · 102184
T
2
x = 1,9110 · 102184
N0 = 6 · 1020
T = 1,5 a
· 12
3
· 21
1
x hat also 2185 Ziffern und beginnt mit den Ziffern 19110... und hat die letzte Ziffer 5.
T
0
94
T
1
2
3
4
5
6
t
a
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die ganzrationale Funktion
Beispiele ganzrationaler Funktionen vom Grad n:
Ein Term der Form
Pn (x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a1 x + a0
mit an 6= 0 heißt Polynom vom Grad n.
Eine Funktion f mit der Gleichung
heißt ganzrational vom Grad n. Die Zahlen a0 , a1
bis an heißen Koeffizienten.
n−1
f (x) = an x + an−1 x

f (x)
1
x−3
2
3x2 − 5x + 7
3
1
100
9
f (x) = Pn (x)
n
n
x3 − x − 1
−x9 − x7 + x2 − 3
Das Verhalten von
f (x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a1 x + a0
+ ... + a1 x + a0 =

für |x| ≫ 1:

a0 
a1
an−1

= xn 
an + x + ... + xn−1 + xn  =
|
{z
}
y
y
an > 0
n gerade
r(x)
an > 0
n unger.
= xn (an + r(x))
x
x
Je weiter man sich auf der x-Achse vom Ursprung
entfernt, d.h. je größer |x| wird (|x| ≫ 1), um so
kleiner wird |r(x)|, da dort x in jedem Summanden im Nenner steht. Man kann |x| immer so groß
wählen, dass |r(x)| kleiner als jede beliebig kleine
Zahl ε wird. Man sagt dazu:
y
y
an < 0
x
an < 0
n gerade
Der Grenzwert von r(x) mit |x| gegen
Unendlich (bzw. x gegen plus oder minus Unendlich) ist null.
Schreibweise:
lim r(x) = 0
x→±∞
Für |x| ≫ 1 ist also r(x) in der Summe gegenüber
an vernachlässigbar, d.h. f (x) verhält sich für
|x| ≫ 1 wie an xn .
x
n unger.
an > 0, n gerade
=⇒
an > 0, n ungerade
=⇒
an < 0, n gerade
=⇒
an < 0, n ungerade
=⇒
lim f (x) = +∞
x→±∞
lim f (x) = ±∞
x→±∞
lim f (x) = −∞
x→±∞
lim f (x) = ∓∞
x→±∞
f (x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a1 x + a0
Für eine ganzrationale Funktion f mit einem
Grad n ≧ 1 gilt lim |f (x)| = +∞, d.h. f (x)
g(x) = bn xn + bn−1 xn−1 + ... + b1 x + b0
x→+∞
kann nicht für alle x ∈ R gleich null sein. Wenn
nur a0 ungleich null ist (n = 0) ist f (x) = a0 6= 0.
Damit gilt:
Gilt f (x) = g(x) ∀ x ∈ R, dann folgt ∀ x ∈ R
f (x)−g(x) = (an −bn )xn + ... +(a0 −b0 ) = 0
Eine ganzrationale Funktion hat nur
dann für alle x ∈ R den Wert null, wenn
alle Koeffizienten null sind.
und damit an − bn = 0, ... , a0 − b0 = 0
Zwei ganzrationale Funktionen f und g haben nur dann für alle x ∈ R den gleichen
Wert, wenn sie die gleichen Koeffizienten
besitzen (Koeffizientenvergleich).
f (x) = Pn (x) = 0 ∀ x ∈ R ⇐⇒
an = an−1 = ... = a0 = 0
f (x) = g(x) ∀ x ∈ R ⇐⇒
an = bn , an−1 = bn−1 , ... , a0 = b0
95
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Polynomdivision
x4
− 1 ÷ x2 + 1 = x2 − 1
− x4 − x2
− x2 − 1
x2 + 1
0
Wie man zwei Zahlen schriftlich dividiert, kann
man auch Polynome durcheinander dividieren.
Die Technik der Polynomdivision erklären wir anhand von Beispielen (siehe rechte Spalte).
Dividiert man ein Polynom P vom Grad p durch
ein Polynom Q vom Grad q (q < p), dann ist das
Ergebnis ein Polynom S vom Grad s = p − q und
der Rest ist ein Polynom R mit einem Grad r < q:
P (x) : Q(x) = S(x) +
3
x4
− 1 ÷ x2 + 2 = x2 − 2 + 2
x +2
4
2
− x − 2x
− 2x2 − 1
2x2 + 4
3
x3 − x2 + x − 1 ÷ x − 1 = x2 + 1
− x3 + x2
x−1
−x+1
0
R(x)
Q(x)
oder nach Multiplikation mit Q(x):
P (x) = S(x)Q(x) + R(x)
Dividiert man durch ein Polynom ersten Grades,
dann ist R ein Polynom vom Grad null, d.h. eine
Konstante c (die auch null sein kann, wenn die Division aufgeht“). Insbesondere interessieren uns
”
Divisoren Q mit dem Koeffizienten 1 beim x, d.h.
Q(x) = x − b:
P (x) : (x − b) = S(x) +
5
x3 − x2 + x − 1 ÷ x − 2 = x2 + x + 3 +
x−2
− x3 + 2x2
x2 + x
− x2 + 2x
3x − 1
− 3x + 6
5
c
x−b
oder
P (x) = S(x) · (x − b) + c
Wir betrachten die Funktion
Nullstellen ganzrationaler Funktionen
Ist x1 eine Nullstelle der ganzrationalen Funktion
P (x), dann folgt aus
f (x) = x3 − 6x2 + 5x + 12
Durch Probieren findet man heraus, dass x1 = −1
eine Nullstelle von f ist.
x3 − 6x2 + 5x + 12 ÷ x + 1 = x2 − 7x + 12
− x3 − x2
P (x) = S(x) · (x − x1 ) + c
mit x = x1
P (x1 ) = S(x1 ) · (x1 − x1 ) + c = 0,
| {z }
− 7x2 + 5x
7x2 + 7x
12x + 12
− 12x − 12
0
0
woraus c = 0 folgt. Mit einer Nullstelle x1 von P
geht die Division P (x) : (x − x1 ) also auf (Rest
c = 0) und es folgt:
Ist x1 eine Nullstelle des Polynoms P (x)
mit Grad n, dann gilt
Es gilt also
f (x) = (x + 1)(x2 − 7x + 12)
P (x) = (x − x1 ) · S(x),
Das quadratische Polynom x2 − 7x + 12 hat die
Nullstellen x2 = 3 und x3 = 4 (quadratische Gleichung!), woraus folgt
wobei S ein Polynom vom Grad n − 1 ist.
(x − x1 ) heißt Linearfaktor von P . Da sich bei
jeder Division durch einen Linearfaktor der Grad
des Polynoms um eins erniedrigt, kann ein Polynom vom Grad n höchstens n Linearfaktoren und
damit auch höchstens n Nullstellen besitzen.
f (x) = (x + 1)(x − 3)(x − 4)
mit den Nullstellen x1 = −1, x2 = 3 und x3 = 4.
96
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Zerlegung in Linearfaktoren
Wir betrachten die Funktion
f ist eine ganzrationale Funktion vom Grad n,
x1 , x2 , ... xr mit r ≦ n sind Nullstellen von f :
f (x) = x3 − x2 − 8x + 12
Durch Probieren findet man heraus, dass x1 = 2
eine Nullstelle von f ist.
x3 − x2 − 8x + 12 ÷ x − 2 = x2 + x − 6
− x3 + 2x2
x2 − 8x
− x2 + 2x
− 6x + 12
6x − 12
f (x) = (x − x1 )(x − x2 ) · ... · (x − xr )S(x)
mit Grad von S gleich n − r.
Enthält eine ganzrationale Funktion f v-mal den
Linearfaktor x − xm , dann kann man schreiben:
f (x) = (x − xm )v S(x)
v ist die Vielfachheit der Nullstelle xm (v-fache
Nullstelle).
I sei ein Intervall, dessen Mittelpunkt xm ist, das
aber keine weitere Nullstelle von f enthält. In I
hat S(x) also überall das gleiche Vorzeichen.
Ist v gerade, dann hat f (x) = (x − xm )v S(x) im
punktierten Intervall I \ {xm } wegen
0
Es gilt also
f (x) = (x − 2)(x2 + x − 6)
Das quadratische Polynom x2 +x−6 hat die Nullstellen x2 = 2 und x3 = −3 (quadratische Gleichung!), woraus folgt
(x − xm )v ≧ 0
überall das gleiche Vorzeichen wie S(x), d.h. f
hat an der Nullstelle xm keinen Vorzeichenwechsel
(VZW). Für v gerade hat f bei xm also eine die
x-Achse nur berührende (und keine schneidende)
Nullstelle.
Für ein ungerades v dagegen gilt
f (x) = (x − 2)(x − 2)(x + 3) = (x − 2)2 (x + 3)
mit den Nullstellen x1 = x2 = 2 und x3 = −3.
2 ist eine doppelte Nullstelle!
x < xm =⇒ x − xm < 0 =⇒ (x − xm )v < 0
und
einfache Nullstelle
x > xm =⇒ x − xm > 0 =⇒ (x − xm )v > 0
d.h. (x − xm )v und damit auch f (x) wechselt bei
xm sein Vorzeichen (schneidende Nullstelle). Wie
wir später noch genauer sehen, ist die schneidende Nullstelle für v ungerade und v ≧ 3 flach, d.h.
die x-Achse bei xm Tangente an den Funktionsgrafen.
s-fache Nullstelle
s gerade
s-fache Nullstelle
s ungerade
Gesucht ist die Gleichung einer ganzrationalen
Funktion
die Punkte
f vierten
πGrades
3πdurch
π
− 3π
0
,
−
0
,
0
,
0
und
(0|1). Ist
2
2
2
2
f (x) ein gute Näherung für g(x) = cos x?
π
π
3π
3π x+
x−
x−
f (x) = a4 x +
2
2
2
2
Ist eine ganzrationale Funktion f vom
Grad n mit der Gleichung
f (x) = an xn + ... + a0
voll in Linearfaktoren zerlegbar, dann gilt
9π 4
3π π π 3π
· · ·
=
=1
2 2 2 2
16
16
a4 =
9π 4
5
15π 4
16
=−
f (π) = 4 · −
9π
16
3
f (x) = an (x − x1 )v1 · ... · (x − xm )vm
f (0) = a4
mit
v1 + v2 + ... + vm = n
cos π = −1, also keine gute Näherung für |x| > π2 ,
für |x| < π2 weniger als 13% Fehler (Aufgabe!).
97
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Beispiel: f (x) = x3 − 3x2 = x2 (x − 3)
Manipulationen am Funktionsgrafen
Der Graf von f wird einer der folgenden Manipulationen unterworfen, das Ergebnis ist der Graf
von g:
g(x) = Ax f (x) = −f (x) = −x3 + 3x2
h(x) = Ay f (x) = f (−x) = −x3 − 3x2
a
Verschieben um den Vektor ~v =
:
b
g = V~v f :
Verschiebung um ~v =
k(x) = f (x − 3) + 2 = x3 − 12x2 + 45x − 52
g(x) = f (x − a) + b
Dehnung: kx = 2, ky = 12 :
Achsenspiegelung an der x-Achse:
g = Ax f :
s(x) =
g(x) = −f (x)
r(x) = PO f (x) = −f (−x) = x3 + 3x2
g(x) = f (−x)
Zentrische Streckung am Ursprung, k = 2:
Dehnung um den Faktor kx in x-Richtung:
g(x) = f
x
kx
1 x
1 3 3 2
=
f
x − x
2
2
16
8
Punktspiegelung am Ursprung:
Achsenspiegelung an an der y-Achse:
g = Ay f :
t(x) = ZO,2 f (x) = 2f
Dehnung um den Faktor ky in y-Richtung:
y
g(x) = ky f (x)
g(x) = kf
2
4
1 3 3 2
x − x
4
2
=
g
k
2
s
1
x
−3 −2 −1
k
2
1
4
3
5
6
7
x
−1
Punktspiegelung am Ursprung (PO = ZO,−1 ):
g = PO f :
x
3
Zentrische Streckung an (0|0) mit dem Faktor k:
g = Z0,k f :
3
:
2
−2
h
g(x) = −f (−x)
f
−3
~
v
−4
Man kann auch mehrere Manipulationen kombinieren; die zuerst angewandtesteht
rechts:
a
Zuerst Verschieben um ~v =
, dann Spiegeb
lung am Ursprung:
y
4
r
2
g(x) = P0 V~v f (x) = P0 (f (x − a) + b) =
= −(f (−x − a) + b) = −f (−x − a) − b
−2
2
6
x
−2
Zuerst Spiegelung
am Ursprung, dann Verschiea
ben um ~v =
:
b
4
f
−4
t
h(x) = V~v P0 f (x) = V~v (−f (−x)) =
−6
= −f (−(x − a)) + b = −f (−x + a) + b
−8
g(x) 6= h(x), d.h. P0 V~v 6= V~v P0 Das Ergebnis
von hintereinander ausgeführten Manipulationen
hängt von der Reihenfolge ab!
98
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Symmetrie von Funktionsgrafen
Wir betrachten eine ganzrationale Funktion dritten Grades:
Geht der Graf Gf einer Funktion f bei einer Spiegelung an der y-Achse in sich selbst über, d.h. gilt
Ay f = f , dann heißt f symmetrisch zur y-Achse.
Ay f = f
=⇒
f (x) = a3 x3 + a2 x2 + a1 x + a0
a
Verschiebung von f um ~v =
:
b
f (−x) = f (x) ∀x ∈ Df
∀ ist eine Abkürzung für für alle“.
”
g(x) = a3 (x − a)3 + a2 (x − a)2 + a1 (x − a) + a0 + b
= a3 x3 + (a2 − 3a3 a) x2 + 3a3 a2 − 2a2 a + a1 x+
|
{z
}
{z
}
|
f symmetrisch zur y-Achse ⇐⇒
f (−x) = f (x) ∀x ∈ Df
a′2
+ −a3 a3 + a2 a2 − a1 a + a0 + b
|
{z
}
f heißt in diesem Fall gerade.
a′0
y
Wir wählen a und b so, dass a′2 = 0 und a′0 = 0
gilt:
a2
a′2 = 0 =⇒ a =
3a3
f
f (−x)
Einsetzen in die Bedingung a′0 = 0:
f (x)
f (−x) = f (x)
−x
x
0
b = a3 a3 − a2 a2 + a1 a − a0 =
x
=−
Terme achsensymmetrischer Funktionen:
2
4
g(x) = a3 x3 + a′1 x,
4
sin x2 , 2x , x6 − x4 + x2 − 1, f (x2 )
d.h. der Graf von g ist punktsymmetrisch zum
Ursprung. Da der Graf von f eine Verschiebung
des Grafen von g um −~v ist, ist der Graf von f
punktsymmetrisch zum Punkt Z(−a| − b).
Geht der Graf Gf einer Funktion f bei einer
Punktspiegelung am Ursprung in sich selbst über,
d.h. gilt PO f = f , dann heißt f symmetrisch zum
Ursprung.
=⇒
−f (−x) = f (x) ∀x ∈ Df
Der Graf einer ganzrationalen Funktion
dritten Grades ist punktsymmetrisch.
f symmetrisch zum Ursprung ⇐⇒
Beispiel: f (x) = x3 − 9x2 + 24x − 16
f (−x) = −f (x) ∀x ∈ Df
−9
= −3
3·1
24 · (−9)
2 · (−9)3
+
+ 16 = −2
b=−
3
27 · 1
3·1
=⇒ f ist punktsymmetrisch zu Z(3|2).
a=
f heißt in diesem Fall ungerade.
y
f (−x)
−x
x
f (x)
a1 a2
2a32
+
− a0
2
27a3
3a3
Bei dieser speziellen Wahl von a und b, die für
a3 6= 0 immer möglich ist, gilt also
n
x , x , x mit geradem n, cos x
PO f = f
a′1
x
y
f (−x) = −f (x)
5
4
3
Terme punktsymmetrischer Funktionen:
1
1
x, x , x mit ungeradem n, , sin x
x
3
Z
2
n
−2 −1
−1
tan x, x5 − x3 − x
−2
−3
99
f
~
v
1
2
g
3
4
5
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
f ist symmetrisch zur Achse x = a, wenn die um
−a
~v =
verschobene Funktion g symmetrisch
0
y
zur y-Achse ist:
x=a
g
f
~
v
g(x) = f (x + a) = g(−x) = f (−x + a)
f symmetrisch zur Achse x = a ⇐⇒
f (a − x) = f (a + x)
a
0
x
∀x mit a − x ∈ Df und a + x ∈ Df
f ist symmetrisch zum Punkt Z(a|b), wenn die
−a
um ~v =
verschobene Funktion g symme−b
y
Z
b
f
trisch zum Ursprung ist:
~
v
g(x) = f (x + a) − b = −g(−x) =
− [f (−x + a) − b] = −f (a − x) + b
a
x
g
f symmetrisch zum Punkt Z(a|b) ⇐⇒
f (a − x) + f (a + x) = 2b
∀x mit a − x ∈ Df und a + x ∈ Df
Spezielle Funktionen
y
Die Signumfunktion (Vorzeichenfunktion):


−1 für x < 0
sgn(x) = 0
für x = 0


1
für x > 0
1
sgn(x)
x
−1
Die Betragsfunktion:
|x| = x · sgn(x) =
Die Thetafunktion
(Sprungfunktion):
(
y
|x|
−x für x < 0
x
für x ≧ 0
oder
1
Heaviside-Funktion


0
1
Θ(x) = (1 + sgn(x)) = 12

2

1
1
x
y
für x < 0
für x = 0
für x > 0
1
Θ(x)
1
2
x
100
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Grenzwerte von Funktionen
Der Grenzwert mit x → ∞
Wenn sich bei immer größer werdendem x der
Wert einer Funktion f immer mehr der Zahl a
annähert, dann sagt man, der Grenzwert (Limes)
von f mit x gegen unendlich ist a:
y
f
ε
a
lim f (x) = a
ε
x→∞
Das immer mehr annähern“ bedeutet: Für jedes
”
beliebige ε > 0 (und sei es noch so klein) gibt
es eine Zahl x0 , so dass für jedes x > x0 der Abstand des Funktionsgrafen von der Geraden y = a
kleiner als ε ist:
x0
x
Als Beispiel betrachten wir die Funktion f mit
f (x) =
|f (x) − a| < ε
Die Wertetabelle
Mit den Abkürzungen ∀ ( für alle“) und ∃ ( es
”
”
existiert ein“) lautet die endgültige Definition des
Grenzwertes mit x gegen unendlich:
lim f (x) = a
x→∞
x
1
f (x) 1
Beweis:
Wegen x → ∞ ist sicher 1 + x > 0 =⇒
2x
2x − 2 − 2x =
|f (x) − 2| = − 2 = 1+x
1+x
−2 = 2 <ε
= 1 + x 1 + x
Analog definiert man:
⇐⇒
∀ ε > 0 ∃ x0 mit |f (x) − a| < ε ∀ x < x0
⇐⇒
x>
lim f (x) = +∞
x→∞
99
999
9999
1,98 1,998 1,9998
x→∞
∀ ε > 0 ∃ x0 mit |f (x) − a| < ε ∀ x > x0
lim f (x) = a
9
1,8
lässt vermuten, dass lim f (x) = 2 gilt.
⇐⇒
x→−∞
2x
1+x
⇐⇒
2
−1
ε
Wählt man x0 =
∀ c > 0 ∃ x0 mit f (x) > c ∀ x > x0
2
− 1, dann gilt also
ε
|f (x) − 2| < ε ∀ x > x0 ,
lim f (x) = −∞
x→∞
d.h.
⇐⇒
lim f (x) = 2
x→∞
∀ c < 0 ∃ x0 mit f (x) < c ∀ x > x0
y
ε1 = 1,
ε2 = 0,5
3
ε1
lim f (x) = +∞
x→−∞
ε2
ε2
2
⇐⇒
ε1
1
∀ c > 0 ∃ x0 mit f (x) > c ∀ x < x0
x02
x01
lim f (x) = −∞
x→∞
⇐⇒
ε
x0
∀ c < 0 ∃ x0 mit f (x) < c ∀ x < x0
101
1
1
0,5
3
10 x
5
0,1
19
10−3
1999
10−6
1 999 999
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
2x
konvergiert für
Beispiel: Die Funktion f (x) = x+1
x → +∞ gegen 2 (siehe Seite vorher). Die Gerade
y = 2 ist waagrechte Asymptote.
Eine Funktion f heißt konvergent für x → +∞,
wenn der Grenzwert für x → +∞ existiert, d.h.
wenn lim f (x) = a mit a ∈ R. Man sagt auch,
x→+∞
f konvergiert gegen a mit x → +∞.
sin x
Beispiel: f (x) =
konvergiert für x → ±∞
x
gegen 0.
Beweis für x → +∞:
Analog definiert man die Konvergenz für
x → −∞.
Konvergiert f für x → +∞ oder x → −∞ gegen
a, dann nennt man die Gerade y = a, an die
sich die Funktion annähert, eine waagrechte
Asymptote der Funktion.
| sin x| ≦ 1 und |x| = x (wegen x → +∞) =⇒
sin x 1
≦ <ε
|f (x) − 0| = x x
Eine nicht konvergente Funktion heißt divergent.
ist erfüllt für alle x mit x > x0 =
Beispiele von Funktionen, die für x → ±∞ divergieren:
1
.
ε
y
0.8
f
f (x) =
0.6
• alle ganzrationalen Funktionen mit Grad
n≧1
sin x
x
0.4
0.2
• sin x, cos x, tan x
2ε
0
−0,2
Die Exponentialfunktion f (x) = ax mit a > 1
ist divergent für x → +∞ und konvergiert für
x → −∞ gegen 0.
2
x0
x
Beispiel:
y
lim f (x) = a
x→±∞
f (x) = 2x
⇐⇒
lim f (x) = a und
x→+∞
6
5
4
lim f (x) = a
x→−∞
3
lim f (x) = ±∞
⇐⇒
x→±∞
lim f (x) = +∞ und
x→+∞
lim f (x) = ∓∞
lim f (x) = −∞ und
lim f (x) = −∞
x→−∞
−4
lim f (x) = +∞
x→−∞
1
1 − x1
x→∞ 5 + 2−x
x→∞
0
1
2
x
lim
1
1−
x→∞
x
=
=
lim 5 + 2−x
lim
x→∞
1
1 − lim
1
1−0
x→∞ x
=
−x =
5+0
5
5 + lim 2
x→∞
lim f (x)
f (x)
= x→∞
g(x)
lim g(x)
x→∞
lim f (g(x)) = f lim g(x)
lim
x→∞
x→∞
x→∞
−1
1
3−
x = 23 = 8
= 2x→∞
lim
lim (f (x)g(x)) = lim f (x) · lim g(x)
x→∞
−2
Beispiel:
lim (f (x) ± g(x)) = lim f (x) ± lim g(x)
x→∞
−3
lim 23− x
Wenn alle beteiligten Grenz- und Funktionswerte existieren und die im Nenner nicht null sind,
gelten folgende Regeln (analog für x → −∞):
x→∞
f divergiert
für x → +∞
Beispiel:
x→∞
x→∞
2
1
⇐⇒
x→±∞
x→+∞
f konvergiert
für x → −∞
gegen 0
x→∞
102
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
Beispiele
Grenzwerte mit Tendenz
lim f (x) = a und
Ist lim f (x) = a und gibt es ein x0 mit
x→∞
x→∞
y
f (x) > a ∀ x > x0
f (x) > a ∀ x > x0 ,
f
=⇒ Annäherung von oben
an die Gerade y = a
dann nähert sich f von oben her an die Gerade
y = a an. Symbolische Schreibweise:
lim f (x) = a+
x→∞
a
lim f (x) = a+
x→∞
lim g(x) = a−
x→∞
lim g(x) = a und
Analog:
x→∞
g
lim f (x) = a ∧ ∃x0 mit f (x) < a ∀ x > x0
x→∞
=⇒
g(x) < a ∀ x > x0
=⇒ Annäherung von unten
an die Gerade y = a
lim f (x) = a−
x0
x→∞
x
Praktische Berechnung von Grenzwerten
Die Symbole +∞ und −∞ sind keine reellen
Zahlen und unterliegen somit auch nicht den gewohnten Rechengesetzen. Trotzdem gibt es einige
praktische Regeln, die aber immer als Abkürzungen für ausführliche Grenzwertschreibweisen aufzufassen sind.
Für die Regel
lim f (x) = +∞ und
x→+∞
1
x
1
lim
x→+∞ xa
1
lim
x→+∞ ax
1
lim
x→+∞ lg x
lim
x→±∞
lim g(x) = +∞
schreibt man kurz
x→±∞
1
=0
x→±∞ f (x)
=⇒
=⇒
für a > 1
= 0+
lim
lim
1
=0
±∞
lim f (x) = 0±
= 0+
3 − x1 + x23
3x3 − x2 + 2
=
lim
=
4
x→∞
x→∞
4 − 2x3
x3 − 2
3
3−0+0
=−
=
0−2
2
(+∞) · (+∞) = +∞
oder kurz
für a > 0
Bei gebrochen-rationalen Funktionen (Quotient
zweier Polynome) dividiert man durch die höchste
Nennerpotenz:
x→+∞
x→±∞
= 0+
x→+∞
=⇒ lim [f (x) · g(x)] = +∞
lim f (x) = ±∞
= 0±
3x − x1 + x23
3x4 − x2 + 2
=
=
lim
x→∞
x→∞
2x3 − x
2 − x12
∞−0+0
= +∞
=
2−0
lim
1
= ±∞
x→±∞ f (x)
lim
oder kurz
1
= ±∞
0±
Zusammenfassung der Kurzregeln:
1
2
3
3x3 − x2 + 2
x − x2 + x4
=
=
lim
x→±∞
x→±∞
2x4 − x
2 − x13
1
2
1
0± · (3 − 0 + 0)
x 3 − x + x3
= lim
=
= 0±
x→±∞
2−0
2 − x13
lim
(+∞) + (+∞) = +∞
(+∞) · (+∞) = +∞
Es gibt keine sinnvollen Kurzregeln für
(+∞) · (−∞) = −∞
1
= 0±
±∞
1
= ±∞
0±
∞ − ∞,
103
0 · ∞,
∞
∞
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 10
Definitionen und Regeln
ax
Der Grenzwert lim n
x→∞ x
Beispiele
y
a>1
g
ax
lim n = +∞
x→∞ x
=⇒
bx
c0 x
Beweis:
Fall 1: n < 0
=⇒
n = −m mit m > 0:
2c0
ax
= lim (ax · xm ) = (+∞) · (+∞) = +∞
x→∞
x→∞ xn
lim
1
Fall 2: n > 0
bx1
Wir müssen beweisen, dass es für jedes c > 0 ein
x0 gibt mit
ax
> c ∀ x > x0
(1)
xn
Mit b = a
1
n
und c0 = c
ax
>c
xn
⇐⇒
⇐⇒
⇐⇒
1
n
1
x1
x
folgt
x
1,0001x
, c = 1010
x100
a = 1,0001, b = 1,000 001, n = 100 =⇒
Beispiel: f (x) =
n
a > cx
(bx )n > (c0 x)n
b x > c0 x
1
c0 = c n = 100,1 = 1,258925412
(2)
s(x) ist die Änderung der Funktion bx , wenn sich
x um 1 ändert:
x1 =
s(x) = bx+1 − bx = bx (b − 1)
s(x1 ) = bx1 (b − 1) = 2c0
lg(2c0 ) − lg(b − 1)
lg b
f 106 = 10−0,5727231 · 10−556 = 2,67 · 10−557
Wegen b > 1 ist s(x) monoton steigend, d.h.
Aufgrund der Wertetabelle
s(x) > s(x1 ) = 2c0 für x > x1
x
f (x)
s(x) monoton steigend bedeutet, dass bx mit
wachsendem x immer steiler wird. bx liegt also
für x > x1 über der Geraden g durch (x1 |bx1 ) mit
der Steigung 2c0 :
103
1,105 · 10−300
10
1,001 · 10−100
106
2,67 · 10−557
würde man lim f (x) = 0 vermuten, aber ab x0
x→∞
geht es sicher aufwärts:
f (x0 ) = 2,82 · 10449
g(x) = bx1 + 2c0 (x − x1 )
f (1,687228528 · 107 ) = 1,000 · 1010
g schneidet die Gerade y = c0 x bei x = x0 :
x0 = 2x1 −
bx1
= 2,748 · 107
c0
Die Unfähigkeit des Taschenrechners beim Umgang mit Zahlen ≧ 10100 und ≦ 10−100 umgehen
wir auf dem Umweg über Logarithmen, z.B.
lg f (106 ) = 106 lg 1,0001 − 600 = −556,5727231
=⇒
g(x0 ) = bx1 + 2c0 (x0 − x1 ) = c0 x0
lg(2c0 ) − lg(10−6 )
= 1,474 · 107
lg b
x0 = 2x1 −
Wegen a > 1 ist auch b > 1 und damit b − 1 > 0.
Wir wählen x1 so, dass s(x1 ) = 2c0 gilt:
x1 =
x0
lg y
400
300
200
100
0
−100
−200
−300
−400
−500
=⇒
bx1
c0
Für jedes x > x0 ist sicher (2) und damit auch
(1) erfüllt.
Zur nebenstehenden Abbildung im doppeltlogarithmischen Maßstab: statt x wird lg x und
statt f (x) wird lg f (x) angetragen.
104
1
2
3
4
5
6
7
lg x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Analysis
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gebrochenrationale Funktionen
y
Der Grenzwert lim f (x)
x→x0
ε
a
ε
⇐⇒
lim f (x) = a
x→0+
δ
∀ ε > 0 ∃ δ > 0 mit |f (x) − a| < ε ∀ x ∈]0, δ[
f
lim f (x) = a
⇐⇒
lim− f (x) = a
x→0
x→0+
∀ ε > 0 ∃ δ > 0 mit |f (x)−a| < ε ∀ x ∈]−δ, 0[
lim f (x) = +∞
x→0+
Zur praktischen Grenzwertberechnung verwenden
wir in Klammern stehende Denkhilfen“:
”
+∞
1
1
3
+4
1 + 4 · 3− x
3x + 4
=
=
=
lim
lim+ 1
1
3+∞ + 2
x→0+ 1 + 2 · 3− x
x→0 3 x + 2
1 + 4 · 3−∞
1+0
=
=1
=
−∞
1+2·3
1+0
⇐⇒
∀ c > 0 ∃ δ > 0 mit f (x) > c ∀ x ∈]0, δ[
⇐⇒
lim f (x) = +∞
x→0−
∀ c > 0 ∃ δ > 0 mit f (x) > c ∀ x ∈] − δ, 0[
1
lim−
x→0
lim f (x) = a
x→0
lim f (x) = a
und
3x + 4
1
3x + 2
=
3−∞ + 4
3−∞ + 2
=
0+4
0+2
=2
1
⇐⇒
x→0−
x
δ
lim
x→0
lim f (x) = a
3x + 4
1
3x + 2
existiert nicht.
x→0+
Anderenfalls existiert lim f (x) nicht.
x→0
lim+
x→2
Der lim f (x) wird auf einen Grenzwert mit
x→x0
h → 0 zurückgeführt:
lim f (x) = lim+ f (x0 + h)
x→x+
0
h→0
lim
x→2−
lim f (x) = lim f (x0 − h)
x→x−
0
h→0+
lim f (x) = lim f (x0 + h)
x→x0
2+h−1
1+h
x−1
= lim+
= lim+
=
x − 2 h→0 2 + h − 2 h→0
h
1
= +∞
=
0+
x−1
2−h−1
1−h
= lim
= lim
=
x − 2 h→0+ 2 − h − 2 h→0+ −h
1
= −∞
=
0−
lim f (x) = y1 und lim g(x) = y2
h→0
x→x0
Für lim gelten die gleichen Rechenregeln wie für
x→x0
lim (af (x) + bg(x)) = ay1 + by2
x→x0
x→x0
lim auf S.102.
x→∞
105
=⇒
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Gebrochen rationale Funktionen
Fall 3: r > s:
Eine Funktion f mit dem Term
Polynomdivision:
f (x) =
z(x)
,
n(x)
wobei z und n Polynome sind, heißt gebrochen
rational.
Die Nullstellen von f sind die Nullstellen des
Zählerpolynoms z, an den Nullstellen des Nennerpolynoms n ist f nicht definiert.
Ist x0 eine Nullstelle von n aber keine Nullstelle
von z (n(x0 ) = 0, z(x0 ) 6= 0), dann gilt
lim+ f (x) = ∞ und lim− f (x) = ∞
x→x0
x→x0
mit Grad(p) = r − s und Grad(q) < s. Wegen
q(x)
= 0, d.h.
Grad(q) < s ist lim
x→±∞ n(x)
lim |f (x) − p(x)| = lim =
x→±∞
x→±∞
f (x) =
x
, Df = R, NS: x0 = 0
x2 + 1
f (−x) = −f (x)
Ursprung
=⇒ punktsymmetrisch zum
lim f (x) = 0, d.h. die x-Achse ist Asymptote
x→±∞
ar xr + ... + a1 x + a0
bs xs + ... + b1 x + b0
y1
−4
mit ar 6= 0 und bs 6= 0. Fall 1: r < s:
Nach Kürzen durch xs erhält man mit m = s − r
f (x) =
x→±∞
0
bs
= 0,
x→±∞
3
4x
lim f (x) = −∞, lim+ f (x) = +∞
x→2
senkrechte Asymptote: x = 2
y10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
as
,
bs
also die waagrechte Asymptote y =
2
5
5
=⇒ waagr. Asymptote: y =
2
2
x→2−
as−1
a0
as +
+ ... + s
x
x
f (x) =
bs−1
b0
bs +
+ ... + s
x
x
lim f (x) =
1
5x + 3
5
6,5
= +
2x − 4
2 x−2
lim f (x) =
Fall 2: r = s:
Nach Kürzen durch xs erhält man
x→±∞
−1
Df = R \ {2}, NS: x0 = − 53 = −0,6
also die waagrechte Asymptote y = 0.
und damit
−2
f ist die um 2 nach rechts und 25 nach oben verschobene Funktion g mit g(x) = 6,5
x , d.h. f ist
punktsymmetrisch zum Punkt (2| 25 ).
und damit
−3
−1
ar−1
a0
ar
+ m+1 + ... + s
m
x
x
f (x) = x
bs−1
b0
bs +
+ ... + s
x
x
lim f (x) =
q(x)
=0
n(x)
Für x → ±∞ nähert sich der Graf von f also
immer mehr an den Grafen von p an.
Für x → ±∞ verhält sich f genau so wie das
Polynom p.
Der Graf von f nähert sich an die Gerade x = x0
an, die senkrechte Asymptote genannt wird. Ist
n(x0 ) = 0 und z(x0 ) = 0, dann kann es bei x0
auch eine senkrechte Asymptote geben, muss aber
nicht.
Ist r der Grad des Zähler- und s der Grad des
Nennerpolynoms, dann gilt
f (x) =
q(x)
n(x)
f (x) = z(x) : n(x) = p(x) +
as
.
bs
−5
−3
−1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 x
−1
−3
−5
106
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Beispiel:
f (x) =
f (x) =
2
2
(x − 2)
x − 4x + 4
=
x−3
x−3
Polynomdivision:
Polynomdivision:
f (x) = x − 1 +
f (x) = 1 +
1
x−3
f (−x) = f (x)
=⇒
x2 − 1
x2 − 4
3
(x − 2)(x + 2)
Symmetrie zur y-Achse
Df = R \ {3}, NS: x0 = 2, lim f (x) = ±∞
Df = R \ {−2; 2}, NS: x01 = −1, x02 = 1
Schräge Asymptote: y = p(x) = x − 1
x→±∞
x→±∞
lim f (x) = 1: Asymptote y = 1
lim f (x) = lim+ f (3 − h) =
h→0
1
1
= lim+ 2 − h +
= 2 + − = −∞
−h
0
h→0
lim f (x) = lim+ f (2 − h) =
h→0
3
3
= 1 + lim+
= 1 + − = −∞
0
h→0 (−h)(4 − h)
x→3−
x→2−
Analog: lim f (x) = +∞
x→2+
lim f (x) = lim+ f (3 + h) =
x→3+
h→0
1
1
= 2 + + = +∞
= lim+ 2 + h +
h
0
h→0
Aus der Symmetrie folgt:
lim
x→(−2)−
f (x) = +∞ und
y6
y5
5
4
lim
x→(−2)+
f (x) = −∞
3
4
2
3
1
2
−5
−4 −3 −2 −1
1
2
4
5x
= +∞
3
−1
1
−1
1
2
3
4
5
6
−2
7x
−3
−1
−2
f (x) =
Wir untersuchen noch, für welche x der Funktionswert f (x) um weniger als ε (ε > 0) vom Funktionswert p(x) der Asymptoten abweicht:
1
,
(x − 3)2
Df = R \ {3}
lim f (x) = 0
x→±∞
lim f (x) = lim f (3 ± h) =
|f (x) − p(x)| < ε
1 x − 3 < ε
x→3±
h→0+
1
= lim
=
±
h→0 (±h)2
1
< |x − 3|
ε
1
1
x−3>
∨ x−3<−
ε
ε
1
1
∨ x < 3−
x>3+
ε
ε
1
0+
y7
6
5
4
3
z.B. für ε = 10−3 :
2
1
x > 1003 ∨ x < −997
−2 −1
107
0
1
2
3
4
5
6
7
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Ableitung einer Funktion
Der Differenzenquotient
Zur Wiederholung:
y
B
x
x-Achse
y
y-Achse
:
:
:
:
y = f (x)
unabhängige Veränderliche
Abszisse
abhängige Veränderliche
Ordinate
Se
f (b)
∆x = b − a
f (a)
f : y = f (x)
a
im Intervall [a, b] ist
f (x + h) − f (x − h)
=
(x + h) − (x − h)
a(x + h)2 − a(x − h)2
=
=
2h
2
a x + 2xh + h2 − (x2 − 2xh + h2 )
=
=
2h
4axh
= 2ax
=
2h
m=
∆y
f (b) − f (a)
=
=
∆x
b−a
m[a,b] heißt auch Differenzenquotient.
Eine Gerade, die den Grafen von f in mindestens
zwei Punkten schneidet, nennt man eine Sekante.
Die mittlere Änderungsrate m[a,b] ist die Steigung
der Sekante AB mit A(a|f (a)) und B(b|f (b)).
Das Wort Rate deutet auf ein Verhältnis hin. So
ist z.B. die Geburtenrate das Verhältnis von Neugeborenen zur Gesamtbevölkerung. Die Änderungsrate ist das Verhältnis der Änderung ∆y der
Funktion zur Änderung ∆x der unabhängigen Variablen.
Zinssatz und Änderungsrate:
f (t) ist das Geld auf einem Konto bei einem jährlichen Zinssatz p. Mit a0 = f (0), q = 1 + p und
T = 1 a gilt
t
f (t) = a0 q T
Beispiele:
f (t + ∆t) = a0 q
Beschreibt s(t) den Ort eines Körpers in
Abhängigkeit von der Zeit t, dann ist die mittlere Geschwindigkeit im Zeitintervall [t1 , t2 ]:
t
= a0 q T q
∆t
T
= f (t) · q
∆t
T
Die mittlere zeitliche Änderungsrate von f im Intervall [t, t + ∆t] ist
Ist v(t) die Geschwindigkeit eines Körpers zur
Zeit t, dann ist die mittlere Beschleunigung im
Zeitintervall [t1 , t2 ]:
∆t
q T −1
∆f
= f (t)
∆t
∆t
∆v
v(t2 ) − v(t1 )
=
∆t
t2 − t1
Die Änderungsrate von f pro Zeit ∆t und pro
Kontostand f (t) ist
Beschreibt N (t) die Zahl der Atome eines radioaktiven Elements mit der Halbwertszeit T ,
dann ist die mittlere Änderungsrate im Intervall
[t, t + T ]
N (t)
2
t+∆t
T
Die Änderung von f im Intervall [t, t + ∆t] ist
∆t
∆f = f (t + ∆t) − f (t) = f (t) q T − 1
∆s
s(t2 ) − s(t1 )
=
∆t
t2 − t1
N (t + T ) − N (t)
=
m=
T
x
Die mittlere Änderungsrate der Funktion f mit
der Gleichung f (x) = ax2 im Intervall [x−h, x+h]
ist
Die mittlere Änderungsrate der Funktion f im Intervall [a, b] ist
a=
b
Beispiel:
∆y = ∆f = f (b) − f (a)
v=
∆y
f
A
Die Änderung einer Funktion
m[a,b]
e
nt
ka
∆t
q T −1
∆f
=
f (t)∆t
∆t
Spezialfall: ∆t = T
− N (t)
N (t)
=−
T
2T
=⇒
∆f
p
3%
= , z.B.
f (t)T
T
a
108
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Definition der Ableitung
Wir betrachten die mittlere Änderungsrate einer
Funktion f auf dem Intervall [x, x + h]:
mh =
y
Q
f (x + h) − f (x)
h
Se
Verkleinert man h, dann wandert der Punkt
Q(x + h|f (x + h)) auf dem Grafen von f immer
näher an den Punkt P(x|f (x)) heran. Im Grenzfall h → 0 geht die Sekante PQ in die Tangente
t an Gf im Punkt P über. Die Steigung der Tangente ist dann
e
nt
ka
∆y
t
P
ϕ
f
f (x + ∆x)
∆x = b − a
f (x)
mt = lim mh
h→0
Existiert dieser Grenzwert, dann nennt man mt
x
• die Steigung oder
• die momentane Änderungsrate oder
Beispiele (a ist eine Konstante):
• die Ableitung nach x oder
f (x) = a
f ′ (x) = lim
=⇒
h→0
a−a
=0
h
• den Differentialquotienten
f (x) = ax + b
der Funktion f an der Stelle x. f ist dann an der
Stelle x differenzierbar.
Schreibweise:
f ′ (x) = lim
h→0
f ′ (x) =
d
f (x + h) − f (x)
df
=
f (x) = lim
h→0
dx
dx
h
=⇒
ah
a(x + h) + b − (ax + b)
= lim
=a
h→0 h
h
Wie zu erwarten, ist die Steigung der linearen
Funktion einfach a.
Ist Df ′ die Menge aller x ∈ Df , für die f differenzierbar ist, dann ist
f (x) = x2
=⇒
(x + h)2 − x2
2xh + h2
= lim
=
h→0
h→0
h
h
= lim (2x + h) = 2x
f ′ = {(x|f ′ (x)) | x ∈ Df ′ }
f ′ (x) = lim
eine Funktion, die Ableitungsfunktion von f .
h→0
t ist jetzt die Tangente an Gf im Punkt
(x0 |f (x0 )). Für den Steigungswinkel ϕ der Tangente gilt
Aus
y
f (x0 ) = x20
′
tan ϕ = mt = f (x0 )
4
t
f
und
3
f ′ (x0 ) = 2x0
Die Gleichung von t erhält man aus
P
t(x) − t(x0 )
mt = f (x0 ) =
x − x0
folgt für die Gleichung
der Tangente an Gf im
Punkt P(x0 |x20 ):
′
Wegen t(x0 ) = f (x0 ) folgt
t(x)
t(x) = f (x0 ) + f ′ (x0 )(x − x0 )
Die unabhängige Variable einer Funktion muss
nicht x heißen, z.B.
k(s) = s2
=⇒
= x20 +2x0 (x−x0 )
= 2x0 x − x20
2
1
=
ϕ
0
1
x0
2
x
x0
2
x0
Die Nullstelle von t ist
. Damit hat man ei2
ne einfache Möglichkeit zur Konstruktion von t
(Nullstelle und Berührpunkt).
dk(s)
= 2s
ds
109
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
t ist die Tangente an Gf im Punkt P(x|f (x)).
Die Normale n auf Gf im Punkt P ist das Lot
auf t in P. In nebenstehender Abbildung hat das
Steigungsdreieck von t die Katheten ∆x und ∆y.
Das Steigungsdreieck von n hat die waagrechte
Kathete ∆x′ = ∆y. Aus
y
n
t
f
β ′ = 90◦ − α = β
β
∆y
folgt die Kongruenz der beiden Dreiecke (wsw)
und daraus ∆y ′ = −∆x. Mit der Steigung
α
P
β
′
∆x
∆x′
mt = f ′ (x0 )
∆y ′
′
α
der Tangente folgt für die Steigung der Normalen
mn =
−∆x
1
∆y ′
=
= − ∆y
∆x′
∆y
∆x
oder
x0
1
1
mn = −
=− ′
mt
f (x0 )
Beispiel: Die Normale
auf die Normalparabel im
Punkt P x0 |x20 hat die Gleichung
Die Gleichung von n erhält man aus
mn = −
n(x) − n(x0 )
1
=
f ′ (x0 )
x − x0
n(x) = x20 −
Wegen n(x0 ) = f (x0 ) folgt
n(x) = f (x0 ) −
1
x
1
f ′ (x0 )
1
3
n(x) = − x +
2
2
(x − x0 )
f (x) =
1
x+h
−
1
x
x − (x + h)
=
h→0
h→0 x(x + h)h
h
−h
−1
1
= lim
= lim
=− 2
h→0 x(x + h)h
h→0 x(x + h)
x
d 1
=
dx x
f (x) = u(x) + v(x)
√
x
=⇒
√
√
x+h− x
f ′ (x) = lim
=
h→0
h
√
√
√ √
( x + h − x)( x + h + x)
√
=
= lim
√
h→0
( x + h + x)h
x+h−x
=
= lim √
√
h→0 ( x + h +
x)h
1
1
= lim √
√ = √
h→0
2 x
x + h + x)
=⇒
f ′ (x) = lim
1
1
1
(x − x0 ) = −
x + x20 +
2x0
2x0
2
Die Normale durch P(1|1):
Ableitungsregeln
f (x) =
x
= lim
′
1
1
=− 2
x
x
=⇒
u(x + h) + v(x + h) − [u(x) + v(x)]
=
h
u(x + h) − u(x) + v(x + h) − v(x)
=
= lim
h→0
h
u(x + h) − u(x)
v(x + h) − v(x)
= lim
+ lim
=
h→0
h→0
h
h
= u′ (x) + v ′ (x) (Summenregel)
f ′ (x) = lim
h→0
d
(u(x) + v(x)) = (u(x) + v(x))′ = u′ (x) + v ′ (x)
dx
110
√ ′
d √
1
x=
x = √
dx
2 x
f (x) = a · u(x)
=⇒
au(x + h) − au(x)
=
h
u(x + h) − u(x)
= a · u′ (x)
= a · lim
h→0
h
(Faktorregel)
f ′ (x) = lim
h→0
d
(a · u(x)) = (a · u(x))′ = a · u′ (x)
dx
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Ableitung von xn (n ∈ N)
pn bezeichnet ein Polynom vom Grad n in ε:
h
= ε:
x
n
n
h
h
n
n
=x 1+
=
(x + h) = x 1 +
x
x
h h2
= xn 1 + n · + 2 pn−2 =
x x
pn = an εn + ... + a1 ε + a0
Aus nebenstehender Formel folgt mit
(1 + ε)2 = 1 + 2ε + ε2 = 1 + 2 · ε + ε2 p0
(1 + ε)3 = 1 + 3ε + 3ε2 + ε3 = 1 + 3ε + ε2 (3 + ε) =
= 1 + 3 · ε + ε 2 p1
(1 + ε)4 = (1 + ε3 )(1 + ε) =
= xn + nhxn−1 + h2 xn−2 pn−2
= (1 + 3ε + ε2 p1 )(1 + ε) =
n
Damit folgt für die Ableitung von f (x) = x :
n
= 1 + 3ε + ε2 p1 + ε + 3ε2 + ε3 p1 =
n
(x + h) − x
=
h
nhxn−1 + h2 xn−2 pn−2
=
= lim
h→0
h
n−1
= lim nx
+ hxn−2 pn−2 = nxn−1
f ′ (x) = lim
= 1 + 4ε + ε2 (p1 + 3 + εp1 ) =
|
{z
}
h→0
p2
2
= 1 + 4ε + ε p2
Bei jeder Multiplikation mit (1 + ε) wird der Koeffizient von ε um eins größer und der Grad des
Polynoms erhöht sich um eins:
h→0
′
(xn ) = nxn−1 für n ∈ N
(1 + ε)n = 1 + n · ε + ε2 pn−2
Beispiele:
x3
′
= 3x2 ,
x7
′
= 7x6 ,
1 10
x
5
′
′
= 2x9
Die Formel (xn ) = nxn−1 gilt auch für n = 0
und n = 21 , denn:
′
x0 = (1)′ = 0 = 0 · x0−1
1 ′
√
1
1
1 −1
·x 2
x 2 = ( x)′ = √ =
1 =
2 x
2
2x 2
sin x
Der Grenzwert lim
x→0 x
1
A△ABC = sin x
2
D
x
1
C
ASektor =
ASektor = xr
2
2
x
1
r
A△ABD = tan x
r=1
2
tan x
p(x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a1 x + a0 =⇒
p′ (x) = nan xn−1 + (n − 1)an−1 xn−2 + ... + a1
Die Ableitung von sin x und cos x
Mit der Formel
sin α − sin β = 2 cos
α−β
α+β
sin
2
2
folgt mit α = x + h und β = x
sin(x + h) − sin x
=
h→0
h
h
2 cos 2x+h
2 sin 2
= lim
=
h→0
h
sin h
h
= lim cos x +
· lim h 2 = cos x
h
h→0
2
→0
|
{z
} |2 {z 2 }
(sin x)′ = lim
cos x
sin x
Flächenvergleich:
( =“ für x = 0)
”
x
B
A
2A△ABC ≦ 2ASektor ≦ 2A△ABD
sin x ≦ x ≦ tan x =
1
(sin x)′ = cos x
cos x ≦
Da cos x die um π2 nach links verschobene Funktion sin x ist, ist auch (cos x)′ die um π2 nach links
verschobene Funktion (sin x)′ = cos x und das ist
− sin x:
(cos x)′ = − sin x
=⇒
sin x
cos x
=⇒
sin x
π
≦ 1 für 0 < x <
x
2
Gilt wegen der Achsensymmetrie von f (x) =
auch für − π2 < x < 0.
=⇒
sin x
lim cos x ≦ lim
≦1
x→0 x
| {z }
x→0
1
=⇒
111
lim
x→0
sin x
=1
x
sin x
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Produktregel
Wir betrachten f (x) = u(x)v(x). Aus
u(x + h)v(x + h) − u(x)v(x) =
= u(x + h)v(x + h) − u(x + h)v(x)+
+ u(x + h)v(x) − u(x)v(x) =
= u(x + h) [v(x + h) − v(x)] +
+ [u(x + h) − u(x)] v(x)
− 21
x
3
x2
′
folgt
′
=
u(x + h)v(x + h) − u(x)v(x)
=
h
u(x + h) [v(x + h) − v(x)]
+
= lim
h→0
h
[u(x + h) − u(x)] v(x)
=
+ lim
h→0
h
v(x + h) − v(x)
+
= lim u(x + h) · lim
h→0
h→0
h
u(x + h) − u(x)
· v(x) =
+ lim
h→0
h
= u′ (x)v(x) + u(x)v ′ (x) (Produktregel)
√
3 1
x
x + √ = x2
2 x
2
′ √ ′ √ 1 ′
1
x
√
x·
=
=
=
x
x
x
′
√ ′ 1 √
1
x · + x·
=
x
x
1
1 √
1
√ · + x· − 2 =
2 x x
x
1
1
1 3
1
√ − √ = − √ = − x− 2
2x x x x
2x x
2
=
h→0
=
=
f ′ (x) = lim
√
√
√
= (x x)′ = x′ x + x( x)′ =
=
√ 3 1
f (x) = x − x x −
x
1
1
3
′
x −
+
f (x) = 1 − √
2 x
x
√ 2 1
+ x − x 3x 2 =
x
1 3
7 5
= 4x3 − x 2 − x− 2
2
2
[u(x)v(x)]′ = u′ (x)v(x) + u(x)v ′ (x)
Die Quotientenregel
Wir betrachten f (x) =
u(x)
. Aus
v(x)
u(x + h) u(x)
−
=
v(x + h)
v(x)
u(x + h)v(x) − u(x)v(x + h)
=
=
v(x + h)v(x)
[u(x + h) − u(x)]v(x)
−
=
v(x + h)v(x)
u(x)[v(x + h) − v(x)]
−
v(x + h)v(x)
1 u(x + h) u(x)
=
−
f (x) = lim
h→0 h v(x + h)
v(x)
v(x)
u(x + h) − u(x)
=
−
lim
v(x)2 h→0
h
v(x + h) − v(x)
u(x)
=
lim
−
v(x)2 h→0
h
u′ (x)v(x) − u(x)v ′ (x)
=
(Quotientenregel)
v(x)2
′
x2 − 1
x+2
′
′
(tan x) =
=
(1)′ · f (x) − 1 · f ′ (x)
=
f (x)2
′
f ′ (x)
1
=⇒
=−
f (x)
f (x)2
=
=−
′
u(x)
v(x)
′
√
1 ′ 1 ′
( x)′
−2
√
=
=− √ 2 =
x
x
( x)
folgt
1
f (x)
u′ (x)v(x) − u(x)v ′ (x)
v(x)2
=
112
1
√
2 x
x
=−
1
1 3
√ = − x− 2
2x x
2
(x + 2)(x2 − 1)′ − (x2 − 1)(x + 2)′
=
(x + 2)2
(x + 2) · 2x − (x2 − 1) · 1
=
=
(x + 2)2
x2 + 4x + 1
=
(x + 2)2
=
sin x
cos x
′
=
cos x(sin x)′ − sin x(cos x)′
=
cos2 x
cos2 x + sin2 x
1
=
cos2 x
cos2 x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Kettenregel
Verkettung von Funktionen
Wir betrachten die verkettete Funktion (siehe
rechts)
Verkettung (Hintereinanderausführung) von zwei
Funktionen:
f : x → f (x) = u ◦ v(x) = u(v(x))
f =g◦h
⇐⇒
Beispiel: g(x) = x2 , h(x) = 2 − x
Ihre Ableitung ist
f (x + h) − f (x)
=
h→0
h
u(v(x + h)) − u(v(x))
= lim
=
h→0
h
u(v(x + h)) − u(v(x)) v(x + h) − v(x)
·
= lim
h→0
v(x + h) − v(x)
h
f ′ (x) = lim
f1 = g ◦ h
f1 (x) = g(h(x)) = [h(x)]2 = (2 − x)2
f2 = h ◦ g
f2 (x) = h(g(x)) = 2 − g(x) = 2 − x2
Man sieht, dass im Allgemeinen
Mit
g ◦ h 6= h ◦ g
v(x + h) − v(x) = ε und y = v(x)
gilt (◦ ist nichtkommutativ).
gilt
Hat g eine eingeschränkte Definitionsmenge,
wirkt sich das auch auf die Definitionsmenge von
f = g ◦ h aus:
v(x + h) = y + ε
und aus h → 0 folgt auch ε → 0. Damit ist
u(y + ε) − u(y)
v(x + h) − v(x)
· lim
=
h→0
ε
h
= u (y) · v ′ (x) = u′ (v(x)) · v ′ (x)
Df = Dg◦h = {x ∈ Dh | h(x) ∈ Dg }
f ′ (x) = lim
ε→0
′
Dh
Dg
x1
Dg◦h
′
[u(v(x))] = u′ (v(x)) · v ′ (x)
Wg◦h
Wh ∩ Dg
h(x1 )
h
(Kettenregel)
oder
f (x) = g(h(x))
g(h(x1 ))
g
Wh
(u ◦ v)′ = (u′ ◦ v) · v ′
Beispiel: g(x) =
′
Die Multiplikation mit v (x) nennt man auch
Nachdifferenzieren.
√
4 − x2 , h(x) = lg x
p
=⇒ f (x) = 4 − (lg x)2
f =g◦h
Beispiele:
Dg = [−2; 2],
f (x) = sin x2 = u(v(x))
+
Dh = R ,
Wg = [0; 2]
Wg = R
mit u(x) = sin x und v(x) = x2
h(x) ∈ Dg
=⇒ lg x ∈ [−2; 2]
Df = 10−2 ; 102
u′ (x) = cos x und v ′ (x) = 2x
f ′ (x) = u′ (v(x)) · v ′ (x) =
= cos x2 · 2x = 2x cos x2
f (x) = (x2 − 3)5 = u(v(x))
mit u(x) = x5 und v(x) = x2 − 3
2
f (x) = sin2 x = (sin x) = u(v(x))
u′ (x) = 5x4 und v ′ (x) = 2x
f ′ (x) = u′ (v(x)) · v ′ (x) =
mit u(x) = x2 und v(x) = sin x
u′ (x) = 2x und v ′ (x) = cos x
f ′ (x) = u′ (v(x)) · v ′ (x) =
= 5v(x)4 · 2x = 10x(x2 − 3)4
= 2 · v(x) · v ′ (x) = 2 sin x cos x
113
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Ableitung von xq , q ∈ Q
Zusammenfassung der Ableitungsregeln
Wir betrachten zunächst die Funktion f mit
1
,
xn
f (x) = x−n =
′
[u(x) + v(x)] = u′ (x) + v ′ (x)
n∈N
′
[a · u(x)] = a · u (x)
Mit der Quotientenregel folgt
f ′ (x) = −
′
(xn )
(xn )2
=−
′
n−1
nxn−1
= −nx−n−1
x2n
(x ) = nx
0 ′
folgt dann
−n ′
0−1
, x = 0| · {z
x }, x
| {z }
0
0
′
(xz ) = zxz−1
für
−n−1
= −nx
u(x)
v(x)
′
′
(Faktorregel)
′
(Produktregel)
=
′
u (x)v(x) − u(x)v ′ (x)
v(x)2
(Quotientenregel)
′
′
[u(v(x))] = u (v(x)) · v (x)
r ′
(Kettenregel)
r−1
[x ] = rx
für r ∈ R
′
Spezialfälle : (a) = 0 (x)′ = 1
′
1
1
=− 2
x
x
√ ′
1
x = √
2 x
z∈Z
Jetzt wenden wir uns der Funktion f mit
f (x) = xq ,
(Summenregel)
[u(x)v(x)] = u (x)v(x) + u(x)v ′ (x)
Aus
n ′
′
q∈Q
′
[sin x] = cos x
zu. q ∈ Q bedeutet
′
[cos x] = − sin x
m
q=
mit m ∈ Z und n ∈ Z
n
Beispiele zu den Ableitungsregeln
also
f (x) = x
m
n
n
[f (x)] = x
Summen- und Faktorregel:
′
1
1
2
= 2x − 2
x +
x
x
′
3x2 = 3 · 2x = 6x
=⇒
m
n ·n
m
=x
Beide Seiten unter Beachtung der Kettenregel differenzieren:
Produktregel:
n [f (x)]n−1 · f ′ (x) = mxm−1
nx
m
n (n−1)
m
′
(sin x cos x) = cos2 x − sin2 x
· f ′ (x) = mxm−1
′
(xπ sin x) = πxπ−1 sin x + xπ cos x
nxm x− n · f ′ (x) = mxm x−1
m m −1
= qxq−1
f ′ (x) =
xn
n
Quotientenregel:
′
sin x
x cos x − sin x
=
x
x2
Also gilt
(xq )′ = qxq−1
für
Kettenregel:
q∈Q
′
(sin ax) = a cos ax
′
1
1
1
= 2x sin − cos
x2 sin
x
x
x
p
′
x
1 − x2 = − √
1 − x2
Mehrfache Anwendung der Kettenregel:
′
′
p
sin(x2 )
x cos(x2 )
2
sin(x ) = p
=p
2 sin(x2 )
sin(x2 )
Durch geeignete Grenzwertbetrachtungen kann
man zeigen, dass sogar
′
(xr ) = rxr−1
für
r∈R
gilt.
7 ′
7 4
x3 = x3
3
′ ′
7 10
1
− 37
√
= − x− 3
=
x
3
7
3
x
114
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Höhere Ableitungen
Die Ableitung der Ableitung heißt zweite Ableitung:
d2 f
′
f ′′ (x) =
= [f ′ (x)]
dx2
Die Ableitung der zweiten Ableitung ist dann
die dritte Ableitung usw. Für die n-te Ableitung
schreibt man
f
(n)
f (x) = xn
f ′ (x) = nxn−1
f ′′ (x) = n(n − 1)xn−2
f ′′′ (x) = n(n − 1)(n − 2)xn−3
f (n) (x) = n!
f (m) (x) = 0
dn f
(x) =
dxn
(man spricht f n-Strich von x“).
”
für
m>n
f (x) = sin x
f ′ (x) = cos x
f ′′ (x) = − sin x
f ′′′ (x) = − cos x
f (4) (x) = sin x
Die Ableitung in der Physik
Aus
s(t) =
Ableitungen nach der Zeit t werden mit einem
Punkt statt mit einem Strich bezeichnet, z.B. die
Geschwindigkeit v als Ableitung des Weges s(t)
nach der Zeit:
folgt
v(t) = ṡ(t) = bt + v0
und
s(t + ∆t) − s(t)
v(t) = ṡ(t) = lim
∆t→0
∆t
a(t) = v̇(t) = ẍ(t) = b
(Bewegung mit konstanter Beschleunigung)
Analog die Beschleunigung:
a(t) = v̇(t) = lim
∆t→0
v(t + ∆t) − s(t)
∆t
x(t) = A sin(ωt + ϕ)
v(t) = ẋ(t) = Aω cos(ωt + ϕ)
Die Beschleunigung ist die zweite Ableitung des
Weges nach der Zeit:
a(t) = v̇(t) = −ω 2 Aω sin(ωt + ϕ) = −ω 2 x(t)
(Harmonische Schwingung)
a(t) = v̇(t) = ẍ(t)
Differenzierbarkeit
Die Funktion f mit (siehe S.100)
(
x
für x ≧ 0
f (x) = |x| =
−x für x < 0
f ist an der Stelle x differenzierbar, wenn der
Grenzwert
lim
h→0
b 2
t + v0 t + s0
2
f (x + h) − f (x)
h
ist an der Stelle x0 = 0 nicht differenzierbar, da
existiert. Das bedeutet, dass die beiden einseitigen Grenzwerte (linksseitige und rechtsseitige Ableitung)
′
f+
(0) = lim+
h→0
h
|0 + h| − 0
= lim+ = 1
h
h→0 h
und
′
f−
(x)
f (x + h) − f (x)
= lim
+
h
h→0
′
f−
(0) = lim+
h→0
und
′
f+
(x) = lim
h→0+
|0 − h| − 0
h
= lim+
= −1
−h
h→0 −h
′
′
ist. Wegen f−
(0) 6= f+
(0) hat f bei x0 = 0 eine
Spitze.
f (x − h) − f (x)
−h
existieren und gleich sind.
115
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Stetige Funktionen
Im ganzen Definitionsbereich stetige Funktionen:
• Polynome
Eine Funktion f heißt stetig in x0 , wenn
• Potentzfunktion xa mit a > 0, z.B.
lim f (x) = f (x0 )
√
x
x→x0
• sin x, cos x
• Exponentialfunktion ax (a > 0)
Ohne Beweis die für uns wichtigsten Eigenschaften stetiger Funktionen:
Zwischen ihren Polen sind auch gebrochenrationale Funktionen und tan x stetig.
Eine stetige Funktion f macht keine Sprünge,
d.h. man kann den Grafen von f zeichnen, ohne den Stift abzusetzen.
|x| ist überall stetig, sgn x ist bei x0 = 0 nicht
stetig.
Es gibt sogar Funtionen, die in ganz R definiert,
aber nirgends stetig sind, z.B.
(
1 für x rational
f (x) =
0 für x irrational
Liegt y0 zwischen f (a) und f (b) (f stetig), d.h.
f (a) < y0 < f (b) oder f (a) > y0 > f (b),
dann gibt es ein x0 ∈]a, b[ mit f (x0 ) = y0 .
(Zwischenwertsatz)
Vorzeichenbestimmung bei einer Funktion f mit
Df = [a, b]:
Ein Spezialfall des Zwischenwertsatzes:
• Nullstellen x01 , ... , x0n berechnen
Haben f (a) und f (b) einer stetigen Funktion
f verschiedene Vorzeichen, dann gibt es ein
x0 ∈]a, b[ mit f (x0 ) = 0.
• In jedem der Intervalle ]a, x01 [, ]x01 , x02 [, ...,
]x0n , b[ einen Funktionswert berechnen, dessen Vorzeichen dann das Vorzeichen aller
Funktionswerte in diesem Intervall ist.
(Nullstellensatz)
Beispiel: f (x) = x2 − x − 2
Eine stetige Funktion f kann nur bei einer
Nullstelle ihr Vorzeichen wechseln.
Zwischen zwei benachbarten Nullstellen hat f
also überall das gleiche Vorzeichen.
Nullstellen: x01 = −1,
An einer Nullstelle muss die Funktion aber keinen
VZW (Vorzeichenwechsel) haben, z.B. f (x) = x2 .
Die Ableitung von Betragsfunktionen
f (0) = −2
f (3) = 4
=⇒
=⇒
x
f (x)
sgn(f (x))
−∞
f (x) > 0 für x ∈] − ∞, −1[
f (x) < 0 für x ∈] − 1, 2[
f (x) > 0 für x ∈]2, ∞[
+
1
−1
2
−
−1
+
1
∞
Beispiel: f (x) = |x2 − x − 2|
oder kürzer
f ′ (x) = sgn(x2 − x − 2) · (2x − 1) =
(
2x − 1 für x < −1 ∧ x > 2
=
1 − 2x für −1 < x < 2
für x 6= 0
Mit der Kettenregel folgt:
|f (x)|′ = sgn(f (x)) · f ′ (x)
=⇒


−1 für x < 0
sgn(x) = 0
für x = 0


1
für x > 0
(
0
für x 6= 0
′
sgn (x) =
nicht definiert für x = 0
Wir betrachten die Betragsfunktion (siehe S.100):
(
−x für x < 0
f (x) = |x| = x · sgn(x) =
x
für x ≧ 0
(
sgn(x)
für x 6= 0
|x|′ =
nicht definiert für x = 0
|x|′ = sgn(x)
f (−2) = 4
x02 = 2
′
′
′
′
(2) = 3
(−1) = −3, f+
(−1) = 3, f−
(2) = −3, f+
f−
für f (x) 6= 0
116
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Näherungsweise Berechnung der Ableitung
Aus der Definition der Ableitung
y
f (x + h) − f (x)
h→0
h
f ′ (x) = lim
folgt
f ′ (x) ≈
f (x + h) − f (x)
h
für |h| klein
(rechtsseitiger Differenzenquotient).
Genauso gilt
f ′ (x) ≈
x−h
f (x) − f (x − h)
h
für |h| klein
Eine bessere Näherung ist der Mittelwert aus dem
rechts- und linksseitigen Differenzenquotienten:
f (x + h) − f (x − h)
2h
x
Beispiel: f (x) = 2x , f ′ (1) = 1,386294361
h
0,1
f (1+h)−f (1)
h
1,435469251
(linksseitiger Differenzenquotient).
f ′ (x) ≈
x+h
x
3,5 · 10
δrel
für |h| klein
−2
1,386774925
3,5 · 10−4
f (1)−f (1−h)
h
1,339340169
1,385814019
δrel
−3,5 · 10−2
−3,5 · 10−4
1,38740471
1,386294472
f (1+h)−f (1−h)
2h
(beidseitiger Differenzenquotient).
0,001
8,0 · 10
δrel
Der relative Fehler der einseitigen Differenzenquotienten ist proportional zu h, der relative Fehler des beidseitigen Differenzenquotienten ist proportional zu h2 .
−4
8,0 · 10−8
Die lineare Näherung
Weitere Beispiele für lineare Näherungsformeln:
Aus der Näherungsformel
1
und x0 = 1:
x
1
f ′ (x) = − 2 =⇒ f ′ (1) = −1
x
f (1 + h) ≈ f (1) + f ′ (1)h = 1 − 1 · h
f ′ (x0 ) ≈
f (x) =
f (x0 + h) − f (x0 )
h
für |h| klein
folgt die lineare Näherung:
f (x0 + h) ≈ f (x0 ) + f ′ (x0 ) · h
1
≈1−h
1+h
für |h| klein
√
Beispiel: f (x) = x und x0 = 1:
1
f ′ (x) = √
2 x
=⇒
f ′ (1) =
√
h
1+h≈1+
2
h
0,1
0,01
0,001
√
1+h
1,048808848
1,004987562
1,000499875
1+
f (x) = xn und x0 = 1:
1
2
f (1 + h) ≈ f (1) + f ′ (1)h = 1 +
f ′ (x) = nxn−1
1,05
1,005
1,0005
f ′ (1) = n
=⇒
f (1 + h) ≈ f (1) + f ′ (1)h = 1 + n · h
1
·h
2
(1 + h)n ≈ 1 + nh
für |h| ≪ 1
h
2
für |h| ≪ 1
für |h| ≪ 1
f (x) = sin x und x0 = 0:
f ′ (x) = cos x
δrel
=⇒
f ′ (0) = 1
f (1 + h) ≈ f (1) + f ′ (1)h = 0 + 1 · h
−3
1,14 · 10
1,24 · 10−5
1,25 · 10−7
sin h ≈ h
für |h| ≪ 1
Genauso zeigt man (Aufgabe!):
Der relative Fehler bei der linearen Näherung ist
proportional zu h2 , in unserem Beispiel gilt näherungsweise δrel ≈ 0,125 · h2 .
tan h ≈ h
117
für |h| ≪ 1
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Taylor-Reihe
Ausführlich geschrieben
Entwicklung:
f sei eine in einer Umgebung von 0 definierte
und unendlich oft differenzierbare Funktion. Als
Näherung für f (x) suchen wir ein Polynom
2
n−1
Pn (x) = a0 + a1 x + a2 x + ... + an−1 x
+ an x ,
Tn (h) =
=⇒
=⇒
Pn′′ (0) = 2 a2 = f ′′ (0)
=⇒
Pn′′′ (0) = 2 · 3 a3 = f ′′′ (0)
=⇒
Pn(n) (0) = n! an = f (n) (0)
Pn (x) = f (0) + f ′ (0)x +
f ′ (x) = cos x,
f ′′ (0)
a2 =
1·2
f ′′′ (0)
a3 =
1·2·3
f (n) (0)
an =
n!
k=0
f (4) (x) = sin x
folgt
f ′ (0) = 1,
f (0) = 0,
f ′′ (0) = 0,
f ′′′ (0) = −1 f (4) (0) = 0, ...
und damit
sin x = x −
· xk
k!
f ′′ (x) = − sin x,
f ′′′ (x) = − cos x und
f ′′ (0) 2
f n (0) n
x + ... +
x
2
n!
n
X
f k (0)
· hk
Als Beispiel betrachten wir f (x) = sin x mit dem
Entwicklungspunkt x0 = 0. Aus
oder kurz unter Beachtung von 0! = 1:
Pn (x) =
k!
heißt n-tes Taylor-Polynom. Das erste TaylorPolynom T1 (h) ist die lineare Näherung, T2 (h)
heißt dann quadratische Näherung usw.
a0 = f (0)
a1 = f ′ (0)
=⇒
n
X
f k (x0 )
k=0
... , Pn(n) (0) = f (n) (0)
Pn (0) = a0 = f (0)
Pn′ (0) = a1 = f ′ (0)
Taylor-
f k (x0 ) k
f ′′ (x0 ) 2
h + ... +
· h + ...
2
k!
n
Pn′ (0) = f ′ (0),
Pn′′ (0) = f ′′ (0),
die
f (x0 + h) = f (x0 ) + f ′ (x0 )h+
dessen Funktionswert und dessen erste n Ableitungen an der Stelle x = 0 mit den entsprechenden Werten von f übereinstimmen:
Pn (0) = f (0),
lautet
x3
x5
x7
x9
+
−
+
∓ ...
3!
5!
7!
9!
y
T1
T3
1
Für viele Funktionen f gibt es eine positive Zahl
R, den Konvergenzradius, mit dem exakt gilt:
0
f (x) = lim Pn (x) = P∞ (x) für x ∈] − R, R[
1
2
4
3
x
n→∞
T2
oder (Mac Laurin’sche Reihe)
f (x) =
∞
X
f k (0)
k!
k=0
−1
· xk
g(0) = f (x0 )
f (x0 +h) = g(h) =
und g
∞
X
g k (0)
k=0
f (x0 + h) =
k!
(0) = f
k
·h =
∞
X
f k (x0 )
k=0
k!
sin x
Weitere Taylor-Entwicklungen:
g(h) = f (x0 + h) ist die um x0 nach links verschobene Funktion f (h). Damit gilt
(k)
T4
(k)
(x0 )
∞
X
f k (x0 )
k=0
k!
·h
cos x = 1 −
1 2
1 4
1 6
x +
x −
x ± ... R = ∞
2
24
720
tan x = x +
1 3
2 5
17 7
x +
x +
x ...
3
15
315
1
= 1 − x + x2 − x3 + x4 − x5 + ...
1+x
k
√
1
1
1 3
1 + x = 1 + x − x2 +
x ± ...
2
8
16
· hk
(Taylor-Reihe)
118
R=
π
2
R=1
R=1
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das Newtonverfahren
Die Nullstellen einer Funktion f können oft nicht
in geschlossener Form berechnet werden, d.h. es
gibt keinen Term für die Nullstellen, der schon bekannte Funktionen enthält. Trotzdem kann man
die Nullstellen mit beliebiger Genauigkeit numerisch berechnen. Es sei x0 der exakte Werte einer
Nullstelle von f , d.h. f (x0 ) = 0. Man braucht
einen nicht unbedingt sehr genauen Näherungswert x1 für x0 , den man z.B. grafisch ermittelt.
Die Funktion f nähern wir durch die Tangente
an f im Punkt P (x1 y1 ) mit y1 = f (x1 ) an. Eine Verbesserung des Näherungswertes x1 ist dann
die Nullstelle x2 der Tangente. Mit der Steigung
f ′ (x1 ) der Tangente folgt
f ′ (x1 ) =
und daraus
y
f
P
y1
x
cos x = x
f (x1 )
x2 = x1 − ′
f (x1 )
Mit
Aus x2 berechnet man dann die noch bessere
Näherung x3 u.s.w. Allgemein erhält man aus xn
den verbesserten Wert xn+1 mit
f (x) = cos x − x und f ′ (x) = − sin x − 1
lautet die Rekursionsformel zur Berechnung der
Lösung
f (xn )
f ′ (xn )
xn+1 = xn −
(Newtonverfahren)
cos xn − xn
xn sin xn + cos xn
=
− sin xn − 1
1 + sin xn
Mit dem Startwert x1 =
Eine Formel dieser Art, bei der aus einem Wert
xn der nächste Wert xn+1 berechnet wird, nennt
man eine Rekursionsformel. Das Newtonverfahren ist also ein rekursives Verfahren zur Nullstellenberechnung.
Ist f ′ (x) nicht bekannt oder zu kompliziert, dann
verwendet man statt f ′ (x) den Differenzenquotienten
f (x + h) − f (x)
≈ f ′ (x)
h
mit einem kleinen h. Damit erhält man
xn+1 = xn −
x0
Eine Gleichung, die auf herkömmlichem Weg
nicht mehr gelöst werden kann, ist z.B.
0 − f (x1 )
x2 − x1
xn+1 = xn −
x2
x1
π
erhält man
4
x2 = 0,7395361335
x3 = 0,7390851781
x4 = 0,7390851332
x5 = 0,7390851332
Nach drei Rekursionen ist also schon eine Genauigkeit von zehn geltenden Ziffern erreicht.
Die Gleichung 2x = x2 hat die Lösungen X1 = 2,
X2 = 4 und X3 mit −1 < X3 < 0. Mit
f (xn ) · h
f (xn + h) − f (xn )
f (x) = 2x − x2
Noch eine Bemerkung zur Wahl von h: Rein theoretisch wird das Ergebnis um so genauer, je kleiner h gewählt wird. Bei einem zu kleinen h sind
aber die Rundungsfehler, die durch die endliche
Genauigkeit des Taschenrechners hervorgerufen
werden, zu groß. Bei einem Taschenrechner mit
zehnstelliger Genauigkeit ist h ≈ xn · 10−5 eine
gute Wahl.
lautet die Rekursionsformel für X3 :
xn+1 = xn −
2xn +h
(2xn − x2n ) · h
− (xn + h)2 − 2xn + x2n
Mit dem Startwert x1 = −1 und h = 10−5 erhält
man:
x2 = −0,7869221328 x3
x4 = −0,7666647091 x5
x6 = −0,7666646959 x7
119
= −0,7668432765
= −0,7666646960
= −0,7666646959
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
ex und ln x
Die natürliche Exponentialfunktion
Die Taylor-Reihe für e konvergiert schnell. Mit
E sei eine Funktion, die gleich ihrer eigenen Ableitung ist und für die E(0) = 1 gilt:
en =
k=0
E ′ (x) = E(x)
und
E(0) = 1
ergibt sich:
n
1
2
3
4
5
...
13
14
15
Damit sind alle Ableitungen von E gleich:
E (n) (x) = E(x)
Die Taylor-Reihe von E mit dem Entwicklungspunkt x0 = 0 lautet:
E(0) 2
x + ... =
2
E(x) = E(0) + E(0)x +
=1+x+
x3
x2
+
+ ...
2!
3!
E(x) =
∞
X
k=0
δn =
k
x
k!
′
′
[E(x)n ] = nE(x)n−1 · E ′ (x) = nE(x)n
| {z }
E(x)
E(nx)
E(x)n
′
nE(nx)E(x)n − E(nx)nE(x)n
=0
E(x)2n
E(nx)
= C (konstant fur alle x)
=⇒
E(x)n
=
Einsetzen von x = 0
=⇒
1
1
1
+
+
+
(n + 1)! (n + 1)!(n + 2) (n + 1)!(n + 2)2
1
1
+
+
+ ... =
3
(n + 1)!(n + 2)
(n + 1)!(n + 2)4
"
#
1
1
1
=
1+
+
+ ...
(n + 1)!
n + 2 (n + 2)2
{z
}
|
1
n+2
=
1
n+1
1 − n+2
δn <
′
[E(nx)] = E (nx) · (nx) = nE (nx) = nE(nx)
1
1
1
+
+
+ ...
(n + 1)! (n + 2)! (n + 3)!
Ersetzt man in den Fakultäten alle Faktoren
größer als n + 2 durch n + 2, dann gilt (geometrische Reihe, siehe S. 92)
Vorsicht bei den folgenden Bezeichnungen:
E ′ (nx) ist E ′ an der Stelle nx
[E(nx)]′ ist die Ableitung von E(nx)
′
en
1
2
2,5
2,6
2,716
...
2,7182818284467...
2,7182818284582...
2,7182818284589...
Die Werte en sind um δn = e − en kleiner als e:
oder
′
n
X
1
k!
also
C = 1, d.h.
1
1
n+2
< δn <
·
(n + 1)!
(n + 1)! n + 1
E(nx) = E(x)n
Einige Werte:
Da n und x beliebige reelle Zahlen sind, gilt auch
2,505 · 10−8 <
E(nx) = E(xn) = E(n)x
1,957 · 10−20
Wählt man speziell n = 1, folgt
5,84 · 10−99
E(x) = E(1 · x) = E(1)x
δ10
< δ20
< δ68
< 2,733 · 10−8
< 2,050 · 10−20
< 5,93 · 10−99
Wegen lim δn = 0 gilt
n→∞
Mit der Definition (Eulersche Zahl)
lim en = lim (e − δn ) = e
n→∞
∞
X
1
e = E(1) =
k!
n→∞
Wir haben damit gezeigt, dass die Folge en
tatsächlich gegen einen Grenzwert konvergiert.
Auf ähnliche Weise kann man zeigen, dass die
n
X
xk
für alle x konvergiert, d.h.
Folge En (x) =
k!
k=0
dass E(x) = lim En (x) für alle x definiert ist.
k=0
gilt
E(x) = ex
n→∞
120
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die natürliche Exponentialfunktion wird, besonders in Programmiersprachen, auch mit exp(x)
bezeichnet.
Zusammenfassung:
ex = exp(x) =
y
e−x
∞
X
xk
k=0
3
k!
2
d x
′
e = (ex ) = exp′ (x) = ex
dx
e0 = exp(0) = 1,
lim e = +∞,
x→+∞
1
e1 = exp(1) = e
ex > 0 für alle x ∈ R
x
ex
4
−2
−3
x
lim e = 0
−1
1
0
2
3x
+
x→−∞
Der Graf von g(x) = e−x ist der an der y-Achse
gespiegelte Graf von f (x) = ex .
′
[beax ] = abeax
i′
h
eg(x) = g ′ (x)eg(x)
ex
=∞
x→∞ xn
lim
Weitere Grenzwerte, die aus der bewiesenen
Grenzwertformel folgen (Pn (x) ist ein Polynom
vom Grad n):
für alle n ∈ R
xn
= lim xn e−x = 0
x→+∞ ex
x→+∞
lim
Beweis:
ex
= lim ex = +∞
x→∞ xn
x→+∞
n = 0:
lim Pn (x) e−x = 0
lim
x→+∞
lim xn ex = 0 (n ∈ N)
ex
= lim x|n| ex =
x→+∞
x→∞ xn
= (+∞) · (+∞) = +∞
n<0:
x→−∞
lim
lim Pn (x) ex = 0
x→−∞
Für n ∈ N folgt:
ex
x
xn−1
1
lim n = lim
+ n + ... +
+
n
x→∞ x
x→∞ x
x
(n − 1)!xn
xn
xn+1
+
+
+
...
=
n! xn
(n + 1)! xn

lim (ex − xn ) = +∞
x→+∞
Beispiel: f (x) = x2 e−x , NS: x0 = 0
lim f (x) = +∞,
x→−∞
f ′ (x) = 2xe−x − x2 e−x = x(2 − x)e−x
 1
1
1
= lim 
+ n−1 + ... +
+
x→∞  xn
x
(n − 1)! x
{z
}
|
→0

+
f ′ (x) = 0

1
x
x2
+
+
+ ...
=∞
n! (n + 1)! (n + 2)!
{z
}
|
=⇒
x11 = 0,
x12 = 2
6
5
4
Für n ∈
/ N und n > 0 gibt es ein n1 ∈ N0 und ein
n2 ∈ N0 mit n1 < n < n2 . Damit ist
ex
ex
>
lim
=∞
x→∞ xn
x→∞ xn2
=⇒
y7
→∞
lim
lim f (x) = 0+
x→+∞
3
ex
=∞
x→∞ xn
2
lim
1
q.e.d
−1
Die Exponentialfunktion geht stärker ge”
gen unendlich als jede Potenzfunktion.“
121
0
1
2
3
4
5
6x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Monotonie
Im folgenden bezeichnet I immer ein offenes Intervall ]a, b[.
y
x1 < x2 =⇒ f (x1 ) < f (x2 )
Eine Funktion f heißt in I streng monoton wachsend oder streng monoton steigend, wenn für alle x1 ∈ I und x2 ∈ I
gilt:
f
f (x2 )
f (x1 )
x1 < x2
=⇒
f (x1 ) < f (x2 )
a
x1
x2
b
steigend
Eine Funktion f heißt in I monoton wachsend oder monoton steigend, wenn für alle
x1 ∈ I und x2 ∈ I gilt:
x1 < x2
=⇒
y
x
fallend
y
steigend
streng steigend
f (x1 ) ≦ f (x2 )
x
y
Eine Funktion f heißt in I streng monoton abnehmend oder streng monoton fallend, wenn für alle x1 ∈ I und x2 ∈ I gilt:
x1 < x2
=⇒
fallend
streng fallend
f (x1 ) > f (x2 )
x
Eine Funktion f heißt in I monoton abnehmend oder monoton fallend, wenn für alle
x1 ∈ I und x2 ∈ I gilt:
x1 < x2
=⇒
x
y
Beispiel: f (x) =
1
1
+ sin mit Df = R+
x
x
f ′ (x) = −
f (x1 ) ≧ f (x2 )
x
1 + cos x1
x2
Aus cos x1 ≦ 1 folgt 1 + cos x1 ≧ 0 und damit
Für eine in I differenzierbare Funktion f gilt:
f ′ (x) ≦ 0 für alle x ∈ R+
f ′ (x) > 0 ∀x ∈ I =⇒ f streng steigend in I
f ′ (x) = 0
f ′ (x) ≧ 0 ∀x ∈ I ⇐⇒ f steigend in I
f ′ (x) < 0 ∀x ∈ I =⇒ f streng fallend in I
=⇒
3π
1
=
+ k · 2π,
xk
2
′
f (x) ≦ 0 ∀x ∈ I ⇐⇒ f fallend in I
cos
1
= −1
x
k∈N
f ′ hat unendlich viele, aber isolierte Nullstellen
bei
2
xk =
π(3 + 4k)
Aus f streng steigend in I folgt nicht f ′ (x) > 0
für alle x ∈ I, wie folgendes Beispiel zeigt:
f ist also streng monoton fallend in R+ .
f (x) = x3 ist streng steigend in R, f ′ (x) = 3x2
hat aber bei x = 0 eine Nullstelle.
y
30
f ′ (x) hat in I nur isolierte Nullstellen (es können
sogar unendlich viele sein), wenn f ′ (x) nicht in
einem ganzen Teilintervall von I gleich null ist.
Mit dieser Definition gilt:
20
10
0
0
f streng steigend in I
⇐⇒
f ′ (x) ≧ 0 ∀x ∈ I und f ′ (x) hat keine oder
nur isolierte Nullstellen in I.
Analoges gilt für f streng fallend.
122
0,1
0,2
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Umkehrfunktion
Der Spiegelpunkt
von P(x0 |y0 ) an
der Geraden w :
y = x ist Q(y0 |x0 ).
Beweis über die
Kongruenz
Ist f eine Funktion (siehe S.38), dann nennt man
f −1 = {(y|x) | (x|y) ∈ f }
die Umkehrrelation von f . Ist f −1 eine Funktion,
dann heißt sie Umkehrfunktion von f und f heißt
umkehrbar.
Vertauscht man also in allen Elementen (Wertepaaren) von f die x- mit der y-Koordinate, dann
erhält man die Elemente von f −1 .
Df −1 = Wf ,
P(x0 |y0 )
y0
w: y=x
S
γ
δ
α
β
T
x0
Q(y0 |x0 )
△PTS ∼
= △QTS
x0
y0
x
Beispiel: f (x) = x2 mit Df = R ist nicht umkehrbar, da f auf R weder streng monoton fallend
noch streng monoton steigend ist. Jedoch sind die
Einschränkungen
Wf −1 = Df
Ist f umkehrbar, dann gilt:
y = f (x) ⇐⇒ (x|y) ∈ f ⇐⇒ (y|x) ∈ f
y
f1 (x) = x2 mit Df1 = R−
−1
und
⇐⇒ f −1 (y) = x ⇐⇒ f −1 (f (x)) = x
f2 (x) = x2 mit Df2 = R+
Genauso:
umkehrbar:
√
f2−1 (x) = + x
√
f1−1 (x) = − x,
y = f −1 (x) ⇐⇒ (x|y) ∈ f −1 ⇐⇒ (y|x) ∈ f
⇐⇒ f (y) = x ⇐⇒ f (f −1 (x)) = x
Wegen Df1 = R− ist das Argument x von f1
negativ (x < 0), d.h.:
√
f1−1 ◦ f1 (x) = − x2 = −|x| = x
f −1 ◦ f (x) = f −1 (f (x)) = x
f ◦ f −1 (x) = f f −1 (x) = x
Für f2 ist x > 0:
√
f2−1 ◦ f2 (x) = + x2 = |x| = x
Den Grafen von f −1 erhält man durch
Spiegelung des Grafen von f an der Geraden y = x.
y4
x
Eine stetige Funktion f ist genau dann umkehrbar, wenn sie streng monoton steigend
oder streng monoton fallend ist.
y=x
2
x2
3
√
x
2
Die Gleichung der Umkehrfunktion f −1 von f findet man so:
1
−2
• y = f (x) nach x auflösen liefert x = f −1 (y).
−1
1
2
−1
• x und y vertauschen, um zur gewohnten
Schreibweise mit x als unabhängiger Variabler zurüchzukehren.
√
− x
−2
Beispiel: f (x) = 3x − 4
f (x)
2
f (x) = y = 3x − 4
y−4
f −1 (y) = x =
3
x
−
4
f −1 (x) =
3
123
+
x
x2
x3
R
R−
R
xa
ax (a > 0)
R+
R
sin x
cos x
Ist f streng steigend (fallend), dann ist f −1
auch streng steigend (fallend).
Df
[− π2 , π2 ]
[0, π]
4x
3
f −1 (x)
√
x
√
− x
1
|x| 3 sgn x
Df −1
xa
loga x
R+
R+
arcsin x = sin−1 x
arccos x = cos−1 x
[−1, 1]
[−1, 1]
1
R+
R+
R
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Ableitung der Umkehrfunktion
g = f −1 ist die Umkehrfunktion von f . Nebenstehender Abbildung entnimmt man:
y = g(x) = f −1 (x),
x = f (y)
y=x
∆x
∆y
1
1
= ∆x = ′
∆x
f
(y)
∆y
g ′ (x) =
f
y
x
∆y
∆x
∆y
g=f
−1
=⇒
1
g (x) = ′
f (g(x))
g = f −1
y
′
oder in Worten:
Die Ableitung der Umkehrfunktion f −1 an
der Stelle x ist der Kehhrwert der Ableitung von f an der Stelle f −1 (x).
x
Beispiel: f (x) = sin x mit Df = [− π2 , π2 ]
Beispiel: f (x) = x2 mit Df = R+
√
g(x) = f −1 (x) = x
g(x) = f −1 (x) = sin−1 (x) = arcsin x
Aus sin(arcsin x) = x folgt
Aus f ′ (x) = 2x folgt f ′ (g(x)) = 2g(x):
g ′ (x) =
x
y
1
1
=
=
f ′ (g(x))
cos(arcsin x)
1
1
=q
= √
1 − x2
1 − sin2 (arcsin x)
g ′ (x) =
1
1
1
=
= √
f ′ (g(x))
2g(x)
2 x
Damit haben wir auf anderem Wege das
√ schon
bekannte Ergebnis für die Ableitung von x hergeleitet.
Der natürliche Logarithmus
y5
Der Logarithmus zur Basis e heißt natürlicher Logarithmus und wird mit ln bezeichnet:
ex
4
ln x = loge x
3
x
ln x ist die Umkehrfunktion von e :
x
ln e = x
e
ln 1 = 0
ex = a
ln x
2
=x
1
−3
ln e = 1
=⇒
−2
−1
1
2
3
4
5x
−1
x = ln a
−2
Aus den Rechenregeln für Logarithmen (siehe
S.93) folgt:
−3
ln(ab) = ln a + ln b
a
ln = ln a − ln b
b
1
ln = − ln b
b
b
ln a = b ln a
ln b
loga b =
ln a
ax = b =⇒ ln (ax ) = x ln a = ln b =⇒ x =
ln x
ln x is nur für x > 0 definiert.
lim ln x = −∞
x→0+
ln e2 = 2
√
1
ln e =
2
ln b
ln a
124
lim ln x = ∞
x→∞
1
= −1
e
1
1
ln √ = −
2
e
ln
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ableitung von ln x
Für manche Funktionen ist es vorteilhaft, ihre
Ableitung auf folgende Art zu berechnen (logarithmisches Differenzieren):
x
Da ln x die Umkehrfunktion von e ist, gilt:
Die Ableitung von ln x an der Stelle x ist der
Kehhrwert der Ableitung von ex an der Stelle ln x:
f ′ (x) = f (x) · (ln f (x))
√
x+3
Beispiel: f (x) = √
3
x−2
1
1
=
eln x
x
(ln x)′ =
(ln x)′ =
1
x
1
1
ln(x + 3) − ln(x − 2)
2
3
√
1
x+3
1
·
f ′ (x) = √
−
3
2(x + 3) 2(x − 2)
x−2
ln f (x) =
Mit der Kettenregel folgt:
f ′ (x)
f (x)
(ln f (x))′ =
Mit der Taylorreihe von ln(1+x) können die Werte von ln x für x ∈]0; 2] berechnet werden.
Reihenentwicklung von ln(1 + x)
Da ln x bei x0 = 0 nicht definiert ist, kann ln x
nicht um den Nullpunkt in eine Taylorreihe entwickelt werden. Wir verwenden als Entwicklungspunkt x0 = 1 oder gleich die Funktion ln(1 + x)
mit x0 = 0:
ln 2 = ln(1 + 1) = 1 −
1
1+x
2
f ′′′ (x) =
(1 + x)3
2·3·4
f (5) (x) =
(1 + x)5
1
,
(1 + x)2
2·3
,
f (4) (x) = −
(1 + x)4
f ′′ (x) = −
f (n) (x) = (−1)n+1 ·
und damit
(n − 1)!
(1 + x)n
ln 2 = ln
f (n) (0) = (−1)n+1 (n − 1)!
3
ln(1 + x) = x −
ln(1 + x) =
x = y · 2n mit n ∈ N und 1 ≦ y < 2
ln x = ln y + n ln 2
4
x
x
x
+
−
± ...
2
3
4
∞
X
k=1
(−1)k+1 ·
Beispiel: ln 10,
xk
k
Mit 14 Summanden liefert die Taylorreihe:
ln(1 + 0,25) =
Ersetzt man x durch −x, folgt
=⇒
x3
x4
x2
−
−
− ...
2
3
4
ln(1 − x) = −
1
1
± ... = 0,2231435513
−
4 2 · 42
ln 10 ≈= 2,302585093
Für 0 < x < 1 konvergiert die Taylorreihe für ln x
schlecht, daher rechnet man:
∞
X
xk
k=1
10 = 1,25 · 23
ln 10 = ln(1 + 0,25) + 3 ln 2
Diese Formel gilt für alle x mit −1 < x ≦ 1.
ln(1 − x) = −x −
√ 2 √
2 = 2 ln 2 ≈ 0,6931471806
Um ln x mit x > 2 zu berechnen, zerlegt man x:
f (n) (0)
(−1)n+1
=
n!
n
Die Taylorreihe (siehe S.118) von ln(1 + x):
2
1 1 1
+ − ± ...
2 3 4
Diese sogenannte alternierende harmonische Reihe konvergiert sehr langsam und ist für eine praktische Berechnung von ln 2 nicht geeignet. Mit 104
Summanden erhält
√ man nur drei geltende Ziffern
von ln 2. Mit x = 2 − 1 erhält man mit
√ 23 Summanden zehn geltende Ziffern von ln 2:
√
ln 2 = ln(1 + x) ≈ 0,3465735903
f ′ (x) =
f (x) = ln(1 + x),
′
k
ln x = − ln
125
1
x
mit
1
>1
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Regel von de l’Hospital
Wir betrachten zwei Funktionen f und g mit
Wir betrachten zwei Funktionen f und g mit
f (a) = g(a) = 0. Ihre Taylorentwicklung ist
f (a + h) = f (a) + f ′ (a)h +
lim f (x) = lim g(x) = ∞,
x→a
d.h.
f ′′ (a) 2
h + ... =
2
x→a
1
1
= lim
=0
x→a g(x)
x→a f (x)
lim
f ′′ (a) 2
h + ...
2
g ′′ (a) 2
g(a + h) = g ′ (a)h +
h + ...
2
= f ′ (a)h +
f (x)
= lim
x→a
x→a g(x)
′
L = lim
f (x)
f (a + h)
0
lim
= lim
=
=
x→a g(x)
h→0 g(a + h)
0
=
=
=
f ′′ (a) 2
2 h + ...
=
lim
′′ (a)
g
2
h→0 g ′ (a)h +
2 h + ...
′′
′′′
f ′ (a) + f 2(a) h + f 6(a) h2 + ...
lim
′′′
′′
h→0 g ′ (a) + g (a) h + g (a) h2 + ...
2
6
′
′
= lim x→a
′ =
=
0
=
0
−g′ (x)
[g(x)]2
lim
′
x→a −f (x)
[f (x)]2
=
2
g ′ (x)
f (x)
· lim ′
= lim
x→a f (x)
x→a
g(x)
{z
}
|
=⇒
L2
=
L=
f (x)
f (a)
= lim ′
x→a g (x)
g ′ (a)
1
f ′ (x)
= lim ′
′
x→a g (x)
g (x)
lim
x→a f ′ (x)
Die Regel von de l’Hospital
gilt also auch für
∞
.
Grenzwerte der Form
∞
f (x)
(a darf auch ±∞ sein) auf
Führt lim
x→a g(x)
0
die Form
, dann gilt
0
Beispiele:
1
ln x ∞ = lim x = 0
=
x→∞ x
x→∞ 1
∞
lim
f ′ (x)
f (x)
= lim ′
,
x→a g (x)
x→a g(x)
lim
Für n > 0 gilt:
1
ln x ∞ 1
x
=
= lim
=0
= lim
n
x→∞ x
x→∞ nxn
x→∞ nxn−1
∞
f ′ (x)
existiert.
x→a g ′ (x)
falls lim
lim
Beispiele:
ln x
= 0 für n > 0
x→∞ xn
lim
cos x
0
sin x
= lim
=
=1
lim
x→0
x→0 x
0
1
2x + sin x
2 + cos x
0
lim
= lim
=
=3
x→0 2x − sin x
x→0 2 − cos x
0
Grenzwerte
(0 · ∞) bringt man auf die
der Form
∞
0
Form
oder
:
0
∞
ln x
−∞
lim+ (x ln x) = (0 · (−∞)) = lim+ 1 =
=
∞
x→0
x→0
x
Mit f (x) = x2 − 2x + 3 und g(x) = x − 3 ist
6
f (x)
= +∞
=
lim+
0+
x→3 g(x)
= lim+
x→0
1
x
− x12
= lim+ (−x) = 0−
x→0
Für n > 0 gilt:
lim (xn ln x) = (0 · (−∞)) = lim
und
x→3
1
f (x)
f ′ (a)h +
Allgemein gilt Die Regel von de l’Hospital:
lim+
1
g(x)
1
g(x)
1
f (x)
x→0+
f ′ (x)
2x − 2
= lim+
= 4 6= +∞
′
g (x)
1
x→3
x→0+
= lim
x→0+
De l’Hospital
hier nicht anwendbar, da weder
∞
0
noch
.
die Form
0
∞
1
x
−nx−n−1
ln x
=
x−n
= lim
x→0+
lim (xn ln x) = 0− für n > 0
x→0+
126
−∞
∞
xn
= 0−
−n
=
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Beliebige Basen
Wir betrachten die Funktion f mit
Jede Exponentialfunktion kann als natürliche Exponentialfunktion geschrieben werden:
a=e
ln a
(ax )′ = e
=⇒
x ln a ′
x
a =e
f (x) = xx = ex ln x und Df = R+ :
lim f (x) = lim+ ex ln x = e0 = 1
x→0+
x ln a
′
f (x) = e
= ex ln a ln a = ax ln a
ln x
ln a
=⇒
′
(loga x) =
1
x ln a
x→0
y
x
= (1 + ln x)xx
x
f
ln x = −1 =⇒
1
x0 = ≈ 0,368
e
Jede Logarithmusfunktion kann als natürliche Logarithmusfunktion geschrieben werden:
· ln x +
NS von f ′ :
′
(ax ) = ax ln a
loga x =
x ln x
1
y0
y0 = f (x0 ) =
1
e− e ≈ 0,692
x0
0
x
1
Anwendungen
Zerfallsgesetz:
In vielen Anwendungen ist die Änderung ∆f einer Funktion f für kleine Änderungen ∆x der unabhängigen Variablen proportional zum momentanen Funktionswert f (x) und zu ∆x:
N (t) sei die Zahl der noch nicht zerfallenen Atome
eines radioaktiven Materials. Für kleien Zeiten ist
die Zahl der zerfallenen Atome
|∆N | = −∆N = −(N (t + ∆t) − N (t))
∆f = f (x + ∆x) − f (x) = k · f (x) · ∆x
proportional zu N (t) und ∆t, d.h.
Für ∆x → 0 folgt
∆N = −λN (t)∆t
∆f
= f ′ (x) = kf (x)
lim
∆x→0 ∆x
oder
Ṅ (t) = −λN (t)
Die Änderungsrate f ′ (x) der Funktion f
ist proportional zum Funktionswert f (x).
mit der Zerfallskonstanten λ. Die Lösung dieser
Gleichung ist das Zerfallsgesetz
Die Lösung der Differentialgleichung
N (t) = N0 e−λt
′
f (x) = kf (x)
f (x) = Cekx
N (T ) =
0
mit f (0) = Ce = C, also
=⇒
N0 = N (0)
Nach der Halbwertszeit T ist die Hälfte der Atome
zerfallen:
ist
f ′ (x) = kf (x)
mit
N0
= N0 e−λT
2
=⇒
e−λT =
1
2
1
ln 2
= − ln 2 =⇒ T =
2
λ
Die Zahl der Zerfälle pro Zeit ist die negative
Änderungsrate von N (Ṅ ist negativ) und wird
Aktivität genannt:
−λT = ln
f (x) = f (0) · ekx
Beispiele:
• Bakterienwachstum
A(t) = −Ṅ (t) = λN0 e−λt = λN (t)
• Wachstum der Erdbevölkerung
• Stetige Verzinsung
Mit A0 = A(0) = λN0 gilt
A(t) = A0 e−λt
127
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Untersuchung von Funktionen
Extremwerte (Extrema)
Gelochte (punktierte) δ-Umgebung (ohne Mittelpunkt):
U̇δ (x0 ) = Uδ (x0 ) \ {x0 }
Das offene Intervall
Uδ (x0 ) =]x0 − δ, x0 + δ[ mit δ > 0
Uδ
x0 − δ
heißt δ-Umgebung von x0 .
y0 = f (x0 ) heißt absolutes Maximum von f ,
wenn x0 ∈ Df und
f (x) ≦ y0
∀ x ∈ Df
y0 = f (x0 ) heißt relatives Minimum von f ,
wenn es ein Uδ (x0 ) j Df gibt mit
f (x) ≧ y0
y0 = f (x0 ) heißt eigentliches relatives Maximum von f , wenn es ein Uδ (x0 ) j Df gibt
mit
f (x) < y0 ∀ x ∈ U̇δ (x0 )}
Einen relativen Extremwert kann es geben bei
Unstetigkeitsstellen
von f , z.B.
(
1 für x 6= x0
f (x) =
2 für x = x0
y
1
nicht differenzierbaren Stellen von f , z.B.
f (x) = x0 − |x − x0 |
2
1
x0
Stellen mit waagrechter Tangente (f ′ (x0 ) = 0),
z.B.
y
1
1
2
x
y
x0
Relatives und absolutes
Maximum ist x0 an der
Stelle x0 .
Die Funktion f mit
(
1
für |x| ≦ 1
f (x) =
2 − |x| für |x| > 1
−1
y
Relatives und absolutes
Maximum ist 2 an der
Stelle x0 .
x
Die Wertemenge von f ist
Wf =] − ∞, 1[. 1 ist nicht
das Maximum von f , da es kein x0 gibt mit
f (x0 ) = 1 (f (0) = 0).
hat das absolute und relative Maximum 1, es handelt sich aber um kein eigentliches relatives Maximum.
∀ x ∈ U̇δ (x0 )}
y0 = f (x0 ) heißt eigentliches relatives Minimum von f , wenn es ein Uδ (x0 ) j Df gibt
mit
f (x) > y0 ∀ x ∈ U̇δ (x0 )}
Maxima und Minima heißen auch Extremwerte
(Extrema, Einzahl: Extremum).
1
x
∀ x ∈ Df
f (x) ≧ y0
∀ x ∈ U̇δ (x0 )}
Es gibt Funktionen, die
keinen Extremwert haben,
z.B.
(
x
für x ≦ 0
f (x) =
1 − x für x > 0
x0 + δ
y0 = f (x0 ) heißt absolutes Minimum von f ,
wenn x0 ∈ Df und
y0 = f (x0 ) heißt relatives Maximum von f ,
wenn es ein Uδ (x0 ) j Df gibt mit
f (x) ≦ y0
x0
x0
x
y
y0
f (x) = y0 − (x − x0 )2
x
Relatives und absolutes
Maximum ist y0 an der
Stelle x0 .
128
x0
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
A = Die Sonne scheint.“
”
B = Es ist Tag.“
”
A ist eine hinreichende Bedingung für B, da aus
bei Sonnenschein sicher Tag ist. Andererseits ist
B eine notwendige Bedingung für A, da die Sonne
nur am Tag scheinen kann. B ist aber nicht hinreichend für A, da es am Tag bewölkt sein kann
und die Sonne nicht scheint.
A und B sind zwei Aussagen (siehe 74), für die
A
=⇒
B
gilt. A ist dann eine hinreichende Bedingung für
B und B eine notwendige Bedingung für A.
y
y
e nd
]a, b[ ∈ Df ∧ x0 ∈ ]a, b[ ∧ f streng steigend
in ]a, x0 [ ∧ f streng fallend in ]x0 , b[ =⇒
eig. relatives Maximum (HP) bei (x0 | f (x0 ))
f
f
fall
stei
gen
d
Hinreichende Kriterien für Hoch- und Tiefpunkte:
e nd
HP
fall
Ist y0 = f (x0 ) ein eigentlich relatives Maximum
(Minimum), dann nennt man (x0 | y0 ) einen Hochpunkt (Tiefpunkt) von f . Hoch- und Tiefpunkte
nennt man auch relative Extrempunkte.
stei
gen
d
Notwendige und hinreichende Bedingungen für Extremwerte
TP
x
x0
y
x
x0
y
]a, b[ ∈ Df ∧ x0 ∈ ]a, b[ ∧ f streng fallend
in ]a, x0 [ ∧ f streng steigend in ]x0 , b[ =⇒
eig. relatives Minimum (TP) bei (x0 | f (x0 ))
f′
f ′′ (x0 ) < 0
x
x0
f′
f ′′ (x0 ) > 0
x
x0
Ist f differenzierbar in ]a, b[ und x0 ∈ ]a, b[, dann
gilt:
f ′ (x0 ) = 0 ∧ f ′ (x) > 0 ∀x ∈ ]a, x0 [ ∧
f ′ (x) < 0 ∀x ∈ ]x0 , b[ =⇒
eig. relatives Maximum (HP) bei (x0 | f (x0 ))
Stellt man sich Gf als Straße vor, die man in positiver x-Richtung befährt (also nach rechts), dann
heißt f dort rechtsgekrümmt, wo man eine Rechtskurve fährt und linksgekrümmt, wo man das Steuer nach links einschlagen muss.
f ′ (x0 ) = 0 ∧ f ′ (x) < 0 ∀x ∈ ]a, x0 [ ∧
f ′ (x) > 0 ∀x ∈ ]x0 , b[ =⇒
eig. relatives Minimum (TP) bei (x0 | f (x0 ))
y
Zum VZW (Vorzeichenwechsel) siehe S.130:
WP
Rechtskurve
f
f ′ (x0 ) = 0 ∧ VZW von f ′ (x) bei x0 =⇒
eig. relativer Extremwert bei (x0 | f (x0 ))
Linkskurve
In einer Umgebung eines Hochpuktes ist eine zweimal differenzierbare Funktion rechtsgekrümmt, in der Umgebeung eines Tiefpunktes
linksgekrümmt.
f′
′
x
x2
Ist f zweimal differenzierbar in ]a, b[ und
x0 ∈ ]a, b[, dann gilt:
f ′′
′′
f (x0 ) = 0 ∧ f (x0 ) < 0 =⇒
eig. relatives Maximum (HP) bei (x0 | f (x0 ))
f rechtsgekrümmt
f linkssgekrümmt
f ′ (x0 ) = 0 ∧ f ′′ (x0 ) > 0 =⇒
eig. relatives Minimum (TP) bei (x0 | f (x0 ))
129
⇐⇒
⇐⇒
f ′′ (x) < 0
f ′′ (x) > 0
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Für den Extremwert einer in ]a, b[ differenzierbaren Funktion gilt folgendes notwendige Kriterium:
Das nebenstehende Kriterium ist zwar notwendig,
aber nicht hinreichend, wie das Beispiel f (x) = x3
zeigt:
f ′ existiert in ]a, b[ und relativer Extremwert
bei x0 ∈ ]a, b[ =⇒ f ′ (x0 ) = 0
f ′ (x) = 3x2
f ′ (0) = 0
=⇒
Wegen f ′ (x) ≧ 0 ∀ x ∈ R ist bei x0 = 0 aber
kein Extremwert, d.h. (0|0) ist ein Terrassenpunkt (Sattelpunkt).
Ein Punkt T(x0 |f (x0 )) heißt Terrassenpunkt oder
Sattelpunkt (SP), wenn zwar f ′ (x0 ) = 0 gilt,
f (x0 ) aber kein relativer Extremwert ist.
Wendepunkte
Wir präzisieren den Begriff Vorzeichenwechsel:
Ein Punkt (x0 |f (x0 )) heißt Flachpunkt (FP)
von f , wenn f ′′ in einer Umgebung Uδ (x0 ) existiert, f ′′ (x0 ) = 0 ist und f ′′ bei x0 stetig ist.
f hat bei x0 einen Vorzeichenwechsel (VZW),
wenn f (x) in einer gelochten Umgebung
U̇δ (x0 ) existiert und entweder
In der Umgebung eines Flachpunktes ändert sich
die Steigung von f nur sehr langsam und der Graf
von f ist dort sehr gut durch eine Gerade approximierbar.
f (x) > 0 für x ∈]x0 − δ, x0 [ und
f (x) < 0 für x ∈]x0 , x0 + δ[
oder
f (x) < 0 für x ∈]x0 − δ, x0 [ und
f (x) > 0 für x ∈]x0 , x0 + δ[
Beispiele:
(
x4 sin x1 für x 6= 0
ist f ′′ in ganz
0
für x = 0
R definiert, f ′′ (0) = 0 aber f ′′ nicht stetig bei
x0 = 0, also ist (0|0) kein Flachpunkt. Da f ′′ in
jeder Umgebung von 0 unendlich oft das Vorzeichen wechselt, hat f ′′ nach unserer Definition bei
0 keinen VZW und (0|0) ist auch kein WP.
gilt.
Für f (x) =
Im Folgenden betrachten wir eine Funktion f , deren erste Ableitung in einer Umgebung Uδ (x0 )
und deren zweite Ableitung in der gelochten Umgebung U̇δ (x0 ) existiert.
W(x0 |f (x0 )) heißt Wendepunkt (WP) von f ,
wenn f ′′ bei x0 einen Vorzeichenwechsel hat.
oder kurz:
f (x) = x · |x| =
WP von f bei x0 ⇐⇒
f ′ (x0 ) existiert und VZW von f ′′ bei x0
(
(
x2
−x2
2x
−2x
(
2
f ′′ (x) =
−2
′
f (x) =
Ein Wendepunkt trennt also einen linksgekrümmten von einem rechtsgekrümmten Bereich der
Funktion. Wegen der Forderung nach Existenz
der ersten Ableitung bei x0 hat der Graf von f
beim Wendepunkt keinen Knick.
für x ≧ 0
für x < 0
für x ≧ 0
für x < 0
für x > 0
für x < 0
(0|0) ist WP, aber kein FP (f ′′ (0) existiert nicht).
Ein notwendiges Kriterium für einen WP:
f (x) = x4 ,
f ′′ existiert in ]a, b[ und Wendepunkt
bei x0 ∈ ]a, b[ =⇒ f ′′ (x0 ) = 0
=⇒
f ′′ (x) = 12x2
f ′′′ (x) = 24x
f (0) = f ′ (0) = f ′′ (0) = f ′′′ (0) = 0
Hinreichendes Kriterium für einen Wendepunkt:
f ′′ (x0 ) = 0 ∧ f ′′′ (x0 ) 6= 0
f ′ (x) = 4x3 ,
f ′ (x) < 0 für x < 0 und f ′ (x) > 0 für x > 0
WP bei x0
f ′′ (x) > 0 für x 6= 0
Die Tatsache, dass f ′′ (x0 ) = 0 ist, also f ′′ (x0 )
existiert, beinhaltet auch die Existenz von f ′ (x0 ).
(0|0) ist TP und FP, aber kein WP.
Ein Sattelpunkt (SP) oder Terrassenpunkt ist ein
Wendepunkt mit waagrechter Tangente.
130
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Hinreichende Kriterien für besondere Punkte,
wenn mindestens die erste Ableitung an der Stelle
x0 verschwindet:
Beispiele zum Nachprüfen:
f (x) = x3 , f ′ (0) = f ′′ (0) = 0, f ′′′ (0) = 6 6= 0
=⇒
f sei eine Funktion, deren ersten n Ableitungen
(n ≧ 2) in einem Intervall ]a; b[ existieren und
x0 ∈ ]a; b[. Dann gilt:
SP (TRP) bei x0 = 0
f (x) = x4 , f ′ (0) = f ′′ (0) = f ′′′ (0) = 0
f (4) (0) = 24 > 0 =⇒ TP bei x0 = 0
Aus
f (k) (x0 ) = 0 ∀ k ≦ n − 1 ∧ f (n) (x0 ) 6= 0
f (x) = xn mit n ∈ N und n ≧ 2
folgt
f ′ (0) = f ′′ (0) = ... = f (n−1) (0) = 0
SP bei x0 für n ungerade
f (n) (0) = n! > 0 =⇒
HP bei x0 für n gerade ∧ f (n) (x0 ) < 0
TP bei x0 = 0 für n gerade
TP bei x0 für n gerade ∧ f (n) (x0 ) > 0
SP bei x0 = 0 für n ungerade
20 ln x
, NS bei x0 = 1
x2
√
20(1 − 2 ln x)
f ′ (x) =
, NS bei x1 = e
x3
−20(5 − 6 ln x)
5
f ′′ (x) =
, NS bei x2 = e 6
x4
40(13 − 12 ln x)
f ′′′ (x) =
x5
√ 10
40
e
f ′′ (x1 ) = − 2 < 0 =⇒ HP bei
e
e
Ist W(x0 | f (x0 )) ein WP von f , dann heißt die
Tangente an Gf in W Wendetangente. Den Funktionsterm t(x) der Wendetangente erhält man
über ihre Steigung:
t(x) − f (x0 )
= f ′ (x0 )
x − x0
f (x) =
=⇒
t(x) = f ′ (x0 ) · x + f (x0 ) − x0 f ′ (x0 )
Wir betrachten die allgemeine ganzrationale
Funktion dritten Grades mit dem Funktionsterm
f (x) = ax3 + bx2 + cx + d,
′
2
f (x) = 3ax + 2bx + c
25
f ′′′ (x2 ) = 120e− 6 6= 0 =⇒
5 50
− 53
6
e
WP und FP bei e
3
a 6= 0
f ′′ (x) = 6ax + 2b
f ′′′ (x) = 6a
t(x) = −
Die zweite Ableitung hat genau eine Nullstelle
x2 = −
t(x) − f (x2 )
= f ′ (x2 )
x − x2
Wendetangente t:
b
3a
5
40 − 5
e 2 · x + 30e− 3
3
y4
Wegen f ′′′ (x2 ) = 6a 6= 0 ist (x2 |f (x2 )) ein WP.
Da jede ganzrationale Funktion dritten Grades
punktsymmetrisch ist (siehe S. 99), gilt:
WP
3
2
Jede ganzrationale Funktion dritten
Grades hat genau einen Wendepunkt,
zu dem ihr Graf punktsymmetrisch ist.
f
1
t
f ′′
0
1
2
3
5
4
f′
−1
−2
131
6x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Vektorrechnung
Der dreidimensionale Raum
Zum Zeichnen von Schrägbildern siehe S.78.
Sind A und B Mengen, dann heißt
x3
A × B = {(x|y) x ∈ A ∧ y ∈ B}
F1
a3
das kartesische Produkt von A und B.
Die Menge aller Paare von reellen Zahlen ist R2 :
A
F2
a2
O
R2 = R × R = {(x|y) x ∈ R ∧ y ∈ R}
x2
a1
Die Menge aller Tripel reeller Zahlen ist R3 :
F3
x1
3
R = {(x|y|z) x ∈ R ∧ y ∈ R ∧ z ∈ R}
Im R3 definiert man eine Metrik, d.h. eine Funktion, die zwei Elementen A = (a1 |a2 |a3 ) und
B = (b1 |b2 |b3 ) des R3 eine reelle Zahl d ≧ 0 zuordnet:
p
d(A, B) = (b1 − a1 )2 + (b2 − a2 )2 + (b3 − a3 )2
Die Abbildung zeigt den Punkt A(a1 |a2 |a3 ) im
Schrägbild.
q
OA = a21 + a22 + a23
Fußpunkte von A in den Koordinatenebenen:
3
Jedem Element X = (x1 |x2 |x3 ) ∈ R entspricht ein Punkt X(x1 |x2 |x3 ) ∈ E3 des dreidimensionalen euklidischen Punktraumes E3 . Identifiziert man die Metrik d(A, B) des R3 mit der
Streckenlänge AB im E3 , dann ist der R3 vollkommen äquivalent zum E3 , d.h. man kann die euklidische dreidimensionale Geometrie rechnerisch
im R3 abwickeln (analytische Geometrie). Wegen
dieser Äquivalenz unterscheiden wir nicht mehr
zwischen Elementen des R3 (Zahlentripel) und
Elementen des E3 (Punkten).
Entsprechendes gilt natürlich für den R2 und die
euklidische Ebene E2 .
in der x2 x3 -Ebene: F1 (0|a2 |a3 )
in der x1 x3 -Ebene: F2 (a1 |0|a3 )
in der x1 x2 -Ebene: F3 (a1 |a2 |0)
Beispiel: Die Punkte A(−2|3| − 5) und B(1| − 1|7)
haben die Entfernung
p
d = (1 − (−2))2 + (−1 − 3)2 + (7 − (−5))2 =
p
= 32 + 42 + 122 = 13
Kugel und Kreis
x3
Ist M ein fester Punkt und r eine Konstante, dann
ist die Menge
X
m3
K = {X MX = r}
M r
die Kugeloberfläche (im R3 ) bzw. Kreislinie (im
R2 ) um M mit Radius r. Da MX ≧ 0 und r ≧ 0,
2
ist MX = r äquivalent zu MX = r2 und die Gleichung der Kugel lautet mit M(m1 |m2 |m3 ) und
X(x1 |x2 |x3 ):
O
m2
x2
m1
x1
Kugel um M(4|0| − 3) mit r = 5:
(x1 − m1 )2 + (x2 − m2 )2 + (x3 − m3 )2 = r2
(x1 − 4)2 + x22 + (x3 + 3)2 = 25
Die Lösungsmenge dieser Gleichung mit den drei
Unbekannten x1 , x2 und x3 besteht aus Zahlentripeln (x1 |x2 |x3 ), die genau den Punkten von K
entsprechen.
Kreis um M(2|7) mit r = 4:
(x1 − 2)2 + (x2 − 7)2 = 16
132
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Vektoren
Parallelgleiche Pfeile als Repräsentanten des Vek=⇒
=⇒
−→ −→
tors ~v : AB parallelgleich zu CD, aber AB = CD.
Ein Pfeil ist eine gerichtete Srecke. Den Pfeil, der
vom Punkt A zum Punkt B zeigt, bezeichnen wir
−→
CD
x3
=⇒
~
v
mit AB. Zwei Pfeile heißen parallelgleich, wenn sie
durch eine Parallelverschiebung ineinander übergeführt werden können.
B
~
v
−→
~
v = AB
A
=⇒
D
Die Menge aller zu einem Pfeil AB par−→
allelgleichen Pfeile heißt Vektor AB. Je−→
des Element (also jeder Pfeil) von AB
−→
heißt Repräsentant von AB.
~
v
−→
~
v = CD
−→
AB
C
Ein Vektor ~v ist durch einen seiner Repräsentanten schon eindeutig bestimmt. Es genügt sogar das Wissen, wie man vom Anfangspunkt
x2
~
v
x1
=⇒
In Abbildungen ist es üblich, die Repräsentanten
eines Vektors mit dem Vektornamen zu bezeichnen.
A(a1 |a2 |a3 ) eines Repräsentanten AB zu seinem
Endpunkt B(b1 |b2 |b3 ) gelangt, d.h. es genügt die
Kenntnis der Koordinatendifferenzen
x3
v1 = b1 − a1 , v2 = b2 − a2 und v3 = b3 − a3 .
b3
Diese Differenzen nennt man die Koordinaten des
Vektors ~v und schreibt dafür
B

  
b − a1
v
−→  1   1
~v = AB = v2 = b2 − a2 
b 3 − a3
v3
~
v
a3
A
v3
v1
v2
O
a1
Anschaulich bedeuten die Vektorkoordinaten:
Um vom Anfangspunkt zum Endpunkt eines Repräsentanten zu gelangen, bewegt man sich um
v1 in x1 -Richtung, um v2 in x2 -Richtung und um
v3 in x3 -Richtung.
b2
a2
x2
b1
x1
 
v1
Sind ein Vektor ~v = v2  und ein Punkt
v3
P(p1 |p2 |p3 ) gegeben, dann ist der Punkt Q durch
−→
PQ = ~v eindeutig bestimmt:
Kriterien für die Gleichheit zweier Vektoren:
Zwei Vektoren ~a und ~b sind gleich, wenn ein beliebiger Repräsentant von ~a parallelgleich zu einem
beliebigen Repräsentanten von ~b ist.

   

a1
b1
 a1 = b 1 ∧
a2  = b2  ⇐⇒
a2 = b 2 ∧


a3
b3
a3 = b 3
Q(p1 + v1 | p2 + v2 | p3 + v3 )
x3
Der Repräsentant eines Vektors ~a, dessen Anfangspunkt der Koordinatenursprung O ist, heißt
Ortsvektor. Dieser Sprachgebrauch ist üblich, obwohl es sich nicht um einen Vektor handelt!
 
a
−→ −
→  1
A(a1 |a2 |a3 ) ⇐⇒ OA = A = a2
a3
a3
Das ist der
=⇒
Ortsvektor OA
A(a1 |a2 |a3 )
O
a2
x2
a1
x1
Das ist auch ein −→
Repräsentant von OA,
=⇒
aber nicht OA
133
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Addition und Subtraktion von Vektoren
 
 
a1
b1
Gegeben sind ~a = a2  und ~b = b2  und
a3
b3
ein beliebiger Punkt P(p1 |p2 |p3 ). Q und R sind
−→
−→
definiert durch PQ = ~a und QR = ~b, d.h.
Q
~b
~
a
R
a+
~
Q(p1 + a1 | p2 + a2 | p3 + a3 ) und
~b
P
R(p1 + a1 + b1 | p2 + a2 + b2 | p3 + a3 + b3 )
−→
~a + ~b definiert man den Vektor PR:
−→ −→ −→
AB = PB − PA
A
−→ −→ −→
~a + ~b = PQ + QR = PR
B
~b
P
Kommutativgesetz:
~b
~
a
a
~b + ~
Die Differenz zweier Vektoren definiert man als
Lösung einer Gleichung:
⇐⇒
a+
~
~b
~
a
~b
~a + ~x = ~b
Assoziativgesetz:
Daraus folgt:
~b
~
a
a+
~
~b
~b +

    
b 1 − a1
a1
b1
b2  − a2  = b2 − a2 
b 3 − a3
a3
b3
~c
~
a + ~b +
Da die Addition und die Subtraktion von Vektoren koordinatenweise erfolgt, übertragen sich die
Rechengesetzte für reelle Zahlen auf das Rechnen
mit Vektoren:
~
c
 
0
Der Nullvektor: ~o = 0
0
 
 
−2
4
Beispiel: ~a =  3, ~b = −3
8
1
Kommutativgesetz:
~a + ~b = ~b + ~a
~a + ~b + ~x = ~o
=⇒

  
0 − (−2) − 4
−2
~x = ~o − ~a − ~b = 0 − 3 − (−3) =  0
0−8−1
−9
Assoziativgesetz:
(~a + ~b) + ~c = ~a + (~b + ~c)
Die Abbildung (~v konstant, P ∈ R3 )
V : P → P′
Parallelverschiebung:
−→′ −→
OA = OA + ~v
−→′ −→
OB = OB + ~v
−→′ −→
OC = OC + ~v
−→
mit PP′ = ~v
ist eine Parallelverschiebung um ~v . Andere
Schreibweise:
V : P → P′
~a
~
a
oder in Koordinatenschreibweise:

    
a1 + b 1
b1
a1
a2  + b2  = a2 + b2 
a3 + b 3
b3
a3
~x = ~b − ~a
b~ −
A′
~
v
C′
A
~
v
C
B′
~
v
−→
−→
mit OP′ = OP + ~v
B
O
134
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die S-Multiplikation
Der Betrag eines Vektors ist definiert als die
Länge eines seiner Repräsentanten. Nebenstehender Abbildung entnimmt man:
x3
a3
2
|~a|2 = OF + a23 = a21 + a22 + a23
 
a1
~a = a2 
a3
=⇒
~
a
q
|~a| = a21 + a22 + a23
a3
q
a2
1
Im Gegensatz zu einem Vektor nennt man eine
Zahl auch einen Skalar.
F
x1
x3
λa3
a3
p
(λa1 )2 + (λa2 )2 + (λa3 )2 =
q
q
= λ2 (a21 + a22 + a23 ) = |λ| a21 + a22 + a23
A
~
a
a1
λa1
X
F
X′
F′
x1
FA und F′ A′ stehen senkrecht auf der x1 x2 Ebene, sind also parallel. Daraus folgt, dass A,
A′ , F und F′ in einer Ebene liegen, nennen wir
sie E. Aus F ∈ E und F′ ∈ E folgt FF′ ⊂ E und
damit wegen O ∈ FF′ auch O ∈ E. O, A, A′ , F
und F′ liegen also in einer Ebene.
′
=⇒ <
) X OF =<
) XOF, d.h. F ∈ OF
Aus den Strahlensätzen (siehe S.59) folgt
a′
|λ~a|
OF′
OA′
= 1 =λ=
=
a1
|~a|
OF
OA


77
~a =  17 ,
−9
Wie oben zeigt man: A′ ∈ OA (analog für λ < 0).
Zwei Vektoren ~a 6= ~o und ~b 6= ~o heißen parallel,
wenn ein beliebiger Repräsentant von ~a parallel
zu einem beliebigen Repräsentanten von ~b ist.


1001
~b =  221 ,
−117


1155
~r =  255 
−145
221
−117
1001
=
=
= 13 =⇒ ~a k ~b
77
17
−9
255
−145
1155
=
= 15,
6= 15 =⇒ ~a ∦ ~c
77
17
−9
Somit gilt:
λ · ~a k ~a für ~a 6= ~o und λ 6= 0
Weiter gilt für ~a 6= ~o und ~b 6= ~o:
Division eines Vektors durch einen Skalar:
∃λ ∈ R \ {0} mit ~b = λ~a
⇐⇒
λa2
x2
Nebenstehender Abbildung entnimmt man unter
der Annahme λ > 0:
λa2
a2
tan <
) X′ OF′ =
=
= tan <
) XOF
λa1
a1
   
a1
b1
a2  k b2 
a3
b3
a2
O
|λ~a| = |λ| · |~a|
⇐⇒
A′
λ~
a
|λ~a| =
~a k ~b
x2
a2
a1

  
λ · a1
a1
λ ·  a2  =  λ · a2 
λ · a3
a3
′
+
2
Die Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar, die sogenannte S-Multiplikation definiert man
wie folgt:
′
a2
O
b2
b3
b1
=
=
a1
a2
a3
z.B.
135
~a
1
= · ~a
λ
λ

 



16
2
16
1
−12 : 8 = −12 = −1,5
8
24
3
24
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Lösung der Gleichung ~a + ~x = ~o heißt Gegenvektor von ~a und wird mit −~a bezeichnet.
 


a1
−a1
~a = a2  =⇒ −~a = ~o − ~a = −a2 
a3
−a3
~
a
−~
a
Andererseits gilt
d.h.


−a1
(−1) · ~a = −a2 
−a3
Der Gegenvektor −~a von ~a
• hat die gleiche Länge wie ~a
−~a = (−1) · ~a
• ist parallel zu ~a
• zeigt in die Gegenrichtung von ~a
Rechenregeln für die S-Multiplikation:
Spezialfälle:
~a · λ = λ · ~a
λ(µ~a) = (λµ)~a
λ(~a + ~b) = λ~a + λ~b
~a · 0 = 0 · ~a = ~o
1 · ~a = ~a · 1 = ~a
~o · λ = λ · ~o = ~o
~a − ~a = ~o
(λ + µ)~a = λ~a + µ~a
Dividiert man einen Vektor ~a durch seinen Betrag, erhält man einen Vektor, der in die Richtung von ~a zeigt, aber den Betrag eins hat, den
Einheitsvektor ~a0 von ~a:
~a0 =
 
a1
~a = a2 
a3
=⇒
Die Geschwindigkeit ~v eines startenden Flugzeugs
m
hat den
 Betrag 56 s und ist parallel zum Vektor
2
~a = 3.
1
~a
|~a|
 
 
30
2
√
|~v |
m
m
· ~a = 4 14 3
≈ 45
~v =
|~a|
s
s
15
1
 
a1
 a2 
~a0 = p 2
·
a1 + a22 + a23
a3
1
Ein Ausdruck der Form
M ist der Mittelpunkt von
−−→
[AB]. Gesucht ist OM als
Linearkombination von ~a
und ~b.
−→
Mit AB = ~b − ~a folgt
λ1~a1 + λ2~a2 + ... + λn~an
heißt Linearkonbination der Vektoren ~a1 , ... ~an .
Die Vektoren
 
1
~e1 = 0 ,
0
 
0
~e2 = 1 ,
0
 
0
~e3 = 0
1
A
M
~
a
B
~b
O
−−→
1
1
OM = ~a + (~b − ~a) = (~b + ~a)
2
2
x3
heißen Basiseinheitsvektoren des R3 .
1
Jeden Vektor ~a kann man als Linearkombination
der Basiseinheitsvektoren schreiben:
 
a1
~a = a2  = a1~e1 + a2~e2 + a3~e3
a3
~
e3
~
e1
1
x1
136
~
e2
1
x2
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das Skalarprodukt
Mit dem Skalarprodukt wird zwei Vektoren eine
reelle Zahl (Skalar) zugeordnet. Ist ϕ der Winkel, den die beiden Vektoren einschließen, dann
definiert man
ba
~
a
~a · ~b = |~a| · |~b| · cos ϕ
ϕ
Bezeichnet ab die Länge der Projektion von ~a auf
die Richtung von ~b und ba die Länge der Projektion von ~b auf die Richtung von ~a, dann gilt
ab = |~a| cos ϕ und
~b
ab
ba = |~b| cos ϕ
Rechenregeln für das Skalarprodukt:
und damit
~a · ~b = ~b · ~a
(λ~a)(µ~b) = λµ(~a ~b)
(~a + ~b)~c = ~a~c + ~b~c
~a · ~b = ab · |~b| = ba · |~a|
Für ~a 6= ~o und ~b 6= ~o gilt
~a · ~b = 0
⇐⇒
~a ⊥ ~b
~a2 = ~a · ~a = |~a| · |~a| · cos 0 = |~a|2
Beweis des Distributivgesetzes:
=⇒
~b
β
~a2 = |~a|2
~e12 = ~e22 = ~e32 = 1
α
~e1~e2 = ~e1~e3 = ~e2~e3 = 0
c
|~b| cos β
|~
a + ~b| cos γ
Der Abbildung entnimmt man
|~a| cos α + |~b| cos β = |~a + ~b| cos γ · |~c|
|~a| · |~c| cos α + |~b| · |~c| cos β = |~a + ~b| · |~c| cos γ
|
{z
} |
{z
} |
{z
}
~a ~b = (a1~e1 + a2~e2 + a3~e3 )(b1~e1 + b2~e2 + b3~e3 ) =
~
a·~
c
= a1 b1~e12 + a2 b2~e22 + a3 b3~e32 + a1 b2~e1~e2 +
= a1 b 1 + a2 b 2 + a3 b 3
(~
a+~b)·~
c
~b·~
c
 
 
2
1
~a = 5, ~b =  4,
7
−3
+ a1 b3~e1~e3 + a2 b1~e2~e1 + a2 b3~e2~e3 +
+ a3 b1~e3~e1 + a3 b2~e3~e2 =


3
~c = −4
2
~a · ~b = 2 + 20 − 21 = −1 =⇒ ~a nicht senkrecht ~b
   
a1
b1
a2  · b2  = a1 b1 + a2 b2 + a3 b3
a3
b3
~a · ~c = 6 − 20 + 14 = 0 =⇒ ~a ⊥ ~c
 
 
2
−5
ϕ: Winkel zwischen ~a = 3 und ~b =  2:
6
3
|~a| · |~b| · cos ϕ = a1 b1 + a2 b2 + a3 b3
folgt
cos ϕ =
γ
|~
a| cos α
und damit folgt aus
 
 
b1
a1
~a = a2  und ~b = b2 
b3
a3
Aus
~
a + ~b
~
a
Für die Basiseinheitsvektoren gilt
cos ϕ =
a1 b 1 + a2 b 2 + a3 b 3
|~a| · |~b|
√
38
−10 + 6 + 18
√
=
19
7 38
ϕ = 71,07◦
137
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das Vektorprodukt (Kreuzprodukt)
Das Vektorprodukt oder Kreuzprodukt ~a ×~b zweier
Vektoren ~a und ~b, die den Winkel ϕ miteinander
einschließen, ist folgendermaßen definiert:
~
a × ~b
Mittelfinger
Für ~a = ~o oder ~b = ~o ist ~a × ~b = ~o.
~b
fi
ige
Ze
Für ~a 6= ~o und ~b 6= ~o gilt
ϕ
er
ng
Daumen
~a × ~b ⊥ ~a und ~a × ~b ⊥ ~b
~
a
~a, ~b und ~a × ~b bilden in dieser Reihenfolge ein Rechtssystem (Daumen–Zeigefinger–
Mittelfinger der rechten Hand).
~
a
E
| ~a × ~b | = |~a| · |~b| · | sin ϕ|
~b
ϕ
Aus der Definition des Vektorprodukts folgt:
~
a × ~b = ~
a × ~b
ϕ
′
~b ′
~a × ~o = ~o × ~a = ~o
~a × ~a = ~o
~a × ~b = −~b × ~a
Die Ebene E steht senkrecht auf dem Vektor ~a,
~b ′ ist die Projektion von ~b in die Ebene E. Wegen
|~b ′ | = |~b| sin ϕ und
(λ~a) × (µ~b) = (λµ)(~a × ~b))
|~a × ~b ′ | = |~a| · |~b ′ | sin 900 = |~a| · |~b ′ |
Für die Basiseinheitsvektoren gilt:
folgt
~e1 × ~e1 = ~e2 × ~e2 = ~e3 × ~e3 = ~o
~e1 × ~e2 = ~e3 ,
~e2 × ~e1 = −~e3
|~a × ~b| = |~a| · |~b| sin ϕ = |~a| · |~b ′ | = |~a × ~b ′ |
~e2 × ~e3 = ~e1 ,
~e3 × ~e2 = −~e1
~e3 × ~e1 = ~e2 ,
~e1 × ~e3 = −~e2
und da ~a ×~b und ~a ×~b ′ die gleiche Richtung haben
~a × ~b = ~a × ~b ′
und damit folgt aus
 
 
a1
b1
~a = a2  und ~b = b2 
a3
b3
~
a×~
s′
~
a × ~b ′
~a × ~b = (a1~e1 + a2~e2 + a3~e3 ) × (b1~e1 + b2~e2 + b3~e3 ) =
= a1 b2~e3 − a1 b3~e2 − a2 b1~e3 +
+ a2 b3~e1 + a3 b1~e2 − a3 b2~e1 =
= (a2 b3 − a3 b2 )~e1 + (a3 b1 − a1 b3 )~e2 +
+ (a1 b2 − a2 b1 )~e3
~
a steht senkrecht auf
der Zeichenebene E
und zeigt zum Betrachter
~
c′
~
s′
~
a×~
c′
~
a
~b ′
Weiter sei ~s = ~b+~c und ~c ′ und ~s ′ die Projektionen
von ~c und ~s in die Ebene E. Wie man sich leicht
überzeugt, gilt ~s ′ = ~b ′ + ~c ′ . Die Vektoren ~a × ~b ′ ,
~a×~c ′ und ~a×~s ′ entstehen aus ~b ′ , ~c ′ und ~s ′ jeweils
durch eine Drehung um 90◦ und eine Streckung
mit dem Faktor |~a|. Daraus folgt
oder
    

a1
b1
a2 b 3 − a3 b 2
a2  × b2  = a3 b1 − a1 b3 
a3
b3
a1 b 2 − a2 b 1
~a × ~s ′ = ~a × ~b ′ + ~a × ~c ′
| {z } | {z } | {z }
Im Gegensatz zum Skalarprodukt ist das Kreuzprodukt nicht im R2 definiert.
Das Assoziativgesetz ist für das Kreuzprodukt i.a.
nicht erfüllt.
~
a×~
s
~
a×~b
=⇒
~
a×~
c
~a × (~b + ~c) = ~a × ~b + ~a × ~c
138
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Merkregel (Sarrus’sche Regel):
~a × ~b =
~e1
~e2
a1
a2
~e3
~e1
~e2
a3
a1
a2
b1
b2
~
a × ~b
~b
b1
b2
b3
A
h
ϕ
~
a
−a2 b1−a3 b2−a1 b3
a2 b 3 a3 b 1 a1 b 2
Die Fläche des von ~a und ~b aufgespannten Parallelogramms ist wegen h = |~b| sin ϕ
Beispiel:
 
 
−3
7
~a =  4 , ~b = −4
2
−1

 

4 · (−1) − 2 · (−4)
4
~a × ~b = 2 · 7 − (−3) · (−1) =  11
(−3) · (−4) − 4 · 7
−16
A = |~a| · h = |~a| · |~b| · sin ϕ
oder
A = |~a × ~b|
Für die Fläche des von ~a und ~b aufgespannten
Dreiecks gilt
A△ =
Eine Ebene E ist durch drei nicht auf einer Geraden liegende Punkte A, B und C eindeutig festgelegt. Ein Vektor, der auf E senkrecht steht (Normalenvektor auf E) ist z.B.
~
n
C
−→ −→
~n = AB × AC
E
X∈E
⇐⇒
B
A
Jeder zu E parallele Vektor steht senkrecht auf
dem Normalenvektor ~n. Ist X(x1 |x2 |x3 ) ∈ E,
−→
dann muss also AX auf ~n senkrecht stehen:
A∈E:
1
|~a × ~b|
2
−→
AX · ~n = 0
~
n
−→
−→
oder mit ~a = OA und ~x = OX:
E
−→
−→
A ∈ E und ~a = OA und ~x = OX:
X∈E
⇐⇒
~
x−~
a
X
A
~n · (~x − ~a) = 0
~
x
~
a
Beispiel: A(1|4|2), B(−3| − 4| − 1), C(5|3| − 1)
 
 
−4
4
−→  
−→  
AB = −8 , AC = −1
−3
−3
O
Liegt X(−3|8|7) in der durch A,
und C vorgeB 
−4
−→
gebenen Ebene E? Aus AX =  4 folgt
5


 
21
7
−→ −→ 
AB × AC = −24 = 3 −8
36
12
 
7
Wir verwenden ~n = −8
12
−→
~n · AX = −28 − 32 + 60 = 0,
d.h. X ∈ E.
139
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ortsbeschreibung auf der Kugel
Wegen
x3
~a2 = |~a| · |~a| · cos 0 = |~a|2
gilt auch
r3
−−→2
2
MX = MX
P
und die Gleichung eines Kreises bzw. einer Kugel
mit Mittelpunkt M und Radius r (siehe S.132)
kann in Vektorform geschrieben werden:
~
r
r2
−−→2
MX = r2
r1 = OF cos λ,
x2
λ
Die Richtung eines Vektors kann durch zwei Winkel λ und β beschrieben werden (siehe Abb.). Ein
Vektor ~r ist durch seine Richtung (λ, β) und seinen Betrag r = |~r| eindeutig gegeben. Die drei
Zahlen (r, λ, β) nennt man die Polarkoordinaten
oder Kugelkoordinaten von ~r. Umrechnung von
Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten:
OF = r cos β,
β
O
r1
F
x1
x3
NP
r2 = OF sin λ
 


r1
cos β cos λ
~r = r2  = r  cos β sin λ 
r3
sin β
P
~
r
O
β
Der Einheitsvektor in Richtung von ~r ist


cos β cos λ
~r 
~r0 = = cos β sin λ 
r
sin β
x2
S
λ
x1
SP
Ein Ort auf der Erdoberfläche ist duch den Breitengrad β und den Längengrad λ eindeutig festgelegt. λ = 0 ist durch den Nullmeridian, der sich
vom Nordpol (NP) durch Greenwich zum Südpol
(SP) erstreckt, gegeben. Der Südpunkt S ist der
Schnittpunkt des Nullmeridians mit dem Äquator. λ zählt man vom Nullmeridian nach Osten
positiv, positive Werte von β liegen auf der Nordhalbkugel.
Um den kürzesten auf der Kugelfläche verlaufenden Weg zwischen zwei Punkten P und Q der Ku−
→
−→
gelfläche zu berechnen, stellt man 0P und 0Q in
kartesischen Koordinaten dar und ermittelt mit
Hilfe des Skalarprodukts den Winkel ϕ zwischen
−
→
−→
0P und 0Q. Der gesuchte Weg ist ein Teilstück
des Großkreises durch P und Q (Schnitt zwischen
k und der Ebene, die durch M, P und Q gegeben
ist). Die Länge des gesuchten Weges ist dann
Kreise auf der Kugelfläche, deren Mittelpunkt mit
dem Kugelmittelpunkt M zusammenfällt, nennt
man Großkreise. Ein Großkreis ist die Schnittmenge der Kugeloberfläche mit einer Ebene, die
M enthält. Beispiele für Großkreise auf der Erde
sind der Äquator und die Meridiane.
Q
s
r
ϕ
O
s = rϕ.
140
P
r
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Wahrscheinlichkeit
Definitionen und Regeln
Beispiele
Einelementige Ereignisse {ωk } heißen Elementarereignisse. Vorsicht mit der Schreibweise:
Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse
Ω = {ω1 , . . . , ωn } mit |Ω| = n ist der Ergebnisraum eines Zufallsexperiments. Jede Teilmenge
A ⊂ Ω heißt Ereignis von Ω. Die Potentzmenge
ωk ∈ Ω,
{ωk } ⊂ Ω,
{ωk } ∈ P(ω)
Eine Teilmenge
P(Ω) = {A|A ⊂ Ω}
Z = {Z1 , . . . , Zk } ⊂ P(Ω)
ist die Menge aller Teilmengen von Ω und heißt
Ereignisraum.
heißt Zerlegung von Ω, wenn
Z1 ∪ Z2 ∪ . . . ∪ Zk = Ω
|P(Ω)| = 2|Ω|
und
Jeder Ereignisraum enthält die beiden Elemente
Zi ∩ Zj = ∅ für i 6= j
Zwei Mengen, deren Durchschnitt leer ist, heißen
disjunkt.
∅ : unmögliches Ereignis
Ω : sicheres Ereignis
Für eine Zerlegung Z = {Z1 , . . . , Zk } von Ω gilt:
A = Ω \ A heißt Gegenereignis von A.
|Z1 | + |Z2 | + . . . + |Zk | = |Ω|
A=A
Beispiele für Zerlegungen:
Z1 = {{ω1 }, . . . , {ωn }} (elementare Zerlegung)
Z2 = {A, A}
Z3 = {A ∩ B, A ∩ B, A ∩ B, A ∩ B}
Mengenalgebra
A ∪ (B ∪ C) = (A ∪ B) ∪ C
A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C)
A ∩ (B ∩ C) = (A ∩ B) ∩ C
A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C)
A ∪ (A ∩ B) = A
A ∩ (A ∪ B) = A
A∩B = A\ B
A∩B =B \A
A ∩ B = Ω \ (A ∪ B)
A∪B = A∩B
A ∪ B = Ω \ (A ∩ B)
A∩B =A∪B
(de Morgan)
Mengentabelle oder Struktogramm :
(de Morgan)
Mengendiagramm:
Ω
Ω
A
B
A∩B
A∩B
A∩B
A
B
A∩B
A∪B
B
A∩B
A∩B
A∪B
B
A∩B
A∪B
A
B
A∩B
A∩B
141
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
A, B und E seien Ereignisse eines Ergebnisraumes Ω, ω ein beliebiges Element von E:
Umgangssprache für E
A tritt ein
A tritt nicht ein
A und B treten ein
A oder B tritt ein (oder beide)
Entweder A oder B tritt ein (nicht beide)
B tritt ein und A tritt nicht ein
E tritt sicher ein
E tritt sicher nicht ein
Wenn A eintritt, dann tritt auch B ein
A und B sind unvereinbar
Rechnen mit Mächtigkeiten
Beispiel:
A∩B =A∩C =B∩C =∅
Für paarweise disjunkte Mengen
A1 , A2 , . . . , An (Ai ∩ Ak = ∅ für i 6= k) gilt
Beispiel:
Über die Mächtigkeiten der drei Ereignisse A, B
und C aus Ω ist bekannt:
|A|
|B|
= 65%,
= 50%, |A ∩ B ∩ C| = 0,
|Ω|
|Ω|
Da (A ∩ B) ∩ (A \ B) = ∅ und
(A ∩ B) ∪ (A \ B) = A
|A ∩ B ∩ C|
= 5%,
|Ω|
folgt
=⇒
B
A\B
A∩B
B\A
|A ∩ B|
|B| |A ∩ B|
=
−
= 50 % − 40 % = 10 %
|Ω|
|Ω|
|Ω|
Da A und B \ A disjunkt sind, folgt aus
Ω
A
A ∪ B = A ∪ (B \ A)
A
B
für die Mächtigkeit der Vereinigungsmenge
C
B
C
C
B
C
65%
|A ∪ B| = |A| + |B \ A|
| {z }
C
B
C
C
C
0% 10% 5% 20%
25% 15% 15% 10%
|B|−|A∩B|
oder
|A ∩ B ∩ C|
= 15%,
|Ω|
|A ∩ B|
|A ∩ B ∩ C|
= 10%,
= 40%
|Ω|
|Ω|
Gesucht sind die prozentualen Anteile von C und
A ∪ B. Zunächst schreibt man die gegebenen Anteile in ein Struktogramm und füllt dann die
Lücken, z.B.:
|A ∩ B ∩ C|
= 40 % − 15 % = 25 %
|Ω|
|A \ B| = |A| − |A ∩ B|
A
=⇒
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C|
|A1 ∪ A2 ∪ . . . ∪ An | = |A1 | + |A2 | + . . . + |An |
|A ∩ B| + |A \ B| = |A|
Mengenschreibweise
E = A oder ω ∈ A
E = A oder ω ∈ A oder ω ∈
/A
E = A ∩ B oder ω ∈ A ∩ B
E = A ∪ B oder ω ∈ A ∪ B
E = (A \ B) ∪ (B \ A) oder ω ∈ A ∪ B
E = B ∩ A = B\A
E=Ω
E=∅
A j B oder A ∩ B = ∅
A∩B = ∅
40%
25%
25% 15% 15% 10%
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
10%
0% 10% 5% 20%
|C|
= 25 % + 10 % + 0 % + 5 % = 40%
|Ω|
|A ∪ B|
= 65 % + 10 % = 75%
|Ω|
142
25%
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Axiome der Wahrscheinlichkeit
Für drei Mengen A, B und C mit
Eine Funktion P , die jedem Ereignis A ∈ P(Ω) eine reelle Zahl P (A) zuordnet, heißt Wahrscheinlichkeitsmaß , Wahrscheinlichkeitsfunktion oder
Wahrscheinlichkeitsverteilung, wenn gilt (Axiome
von Kolmogorow) :
P (A) ≧ 0
P (Ω) = 1
A∩B =A∩C =B∩C =∅
folgt
(A ∪ B) ∩ C = ∅
und damit mit (W3):
(W1)
(W2)
A ∩ B = ∅ ⇒ P (A ∪ B) = P (A) + P (B)
P (A ∪ B ∪ C) = P ([A ∪ B] ∪ C) =
= P (A ∪ B) + P (C) =
(W3)
= P (A) + P (B) + P (C)
(Ω, P(Ω), P ) heißt Wahrscheinlichkeitsraum .
Es ist erstaunlich, dass man die ganze Wahrscheinlichkeitsrechnung auf diese drei Axiome
aufbauen kann. Ein paar Folgerungen aus den
Axiomen:
Fortgesetzte Anwendung dieser Überlegung führt
auf:
Für paarweise disjunkte Mengen
A1 , A2 , . . . , An (Ai ∩ Ak = ∅ für i 6= k) gilt
Wegen A ∩ A = ∅ und A ∪ A = Ω folgt aus (W3)
und (W2):
P (A1 ∪ . . . ∪ An ) = P (A1 ) + . . . + P (An )
P (A) + P (A) = P (Ω) = 1
Da die Elementarereignisse paarweise disjunkt
sind und somit eine Zerlegung von Ω bilden, gilt
mit |Ω| = n (für P ({ω}) schreibt man abkürzend
auch P (ω)):
und damit
P (A) = 1 − P (A)
P (ω1 ) + P (ω2 ) + . . . + P (ωn ) = 1
Wegen P (A) ≧ 0 (W1) folgt
Beispiel:
P (A) = 1 − P (A) ≦ 1
In einer Ortschaft gibt es zwei Sportvereine, den
TSV und den FC. Ein zufällig ausgesuchter Dorfbewohner ist mit 40%-er Wahrscheinlichkeit im
TSV (Ereignis T ), mit 30%-er Wahrscheinlichkeit
im FC (Ereignis F ) und mit 10%-er Wahrscheinlichkeit in beiden Vereinen. Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist ein Dorfbewohner in mindestens
einem Sportverein?
Mit (W1) folgt daraus für jedes Ereignis A:
0 ≦ P (A) ≦ 1
Da (A ∩ B) ∩ (A \ B) = ∅ und
(A ∩ B) ∪ (A \ B) = A
folgt aus (W3)
P (A ∩ B) + P (A \ B) = P (A)
P (T ) = 40%, P (F ) = 30%, P (T ∩ F ) = 10%.
in mindestens einem Verein“ = T ∪ F =⇒
”
=⇒
P (T ∪ F ) = P (T ) + P (F ) − P (T ∩ F ) =
P (A \ B) = P (A) − P (A ∩ B)
= 40% + 30% − 10% = 60%
Da A und B \ A disjunkt sind, folgt aus
A ∪ B = A ∪ (B \ A)
für die Mächtigkeit der Vereinigungsmenge
P (A ∪ B) = P (A) + P (B \ A)
| {z }
P (B)−P (A∩B)
oder
P (A ∪ B) = P (A) + P (B) − P (A ∩ B)
143
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 11
Definitionen und Regeln
Beispiele
Stochastische Unabhängigkeit
Beispiel:
Zwei Ereignisse A und B heißen stochastisch unabhängig, wenn die Wahrscheinlichkeit P (B) für
das Eintreten von B nicht davon abhängt, ob A
eingetreten ist oder nicht. Die bedingten Wahrscheinlichkeiten PA (B) und PA (B) (siehe S.90)
müssen dann gleich der absoluten Wahrscheinlichkeit P (B) sein:
Eine Urne enthält acht Kugeln, die mit den Zahlen eins bis acht beschriftet sind. Es werden vier
Kugeln ohne Zurücklegen gezogen.
A : Es werden nur gerade Zahlen gezogen
B : Es werden nur Zahlen ≦ 4 gezogen
PA (B) =
P (A ∩ B)
= P (B)
P (A)
(1)
A = {2, 4, 6, 8},
PA (B) =
P (A ∩ B)
= P (B)
P (A)
(2)
B = {1, 2, 3, 4},
A ∩ B = {2, 4},
In Anlehnung an (1) definiert man:
1
1 1
· = = P (A ∩ B)
2 2
4
A und B sind also stochastisch unabhängig.
P (A) · P (B) =
Zwei Ereignisse A und B heißen stochastisch
unabhängig, wenn
P (A ∩ B) = P (A) · P (B)
1
4
=
8
2
1
4
P (B) = =
8
2
2
1
P (A ∩ B) = =
8
4
P (A) =
(3)
Beispiel:
(1) und (2) sind gleichwertig, wie folgender Satz
zeigt:
Ein Würfel wird geworfen.
A : Es werden nur gerade Zahlen geworfen
Sind A und B stochastisch unabhängig, dann
auch A und B.
B : Es werden nur Zahlen ≦ 3 geworfen
Beweis: Zu zeigen ist
P (A ∩ B) = P (A) · P (B)
A = {2, 4, 6},
=⇒
P (A ∩ B) = P (A) · P (B)
B = {1, 2, 3},
A ∩ B = {2},
(3)
P (A ∩ B) = P (B \ A) = P (B) − P (A ∩ B) =
1 1
1
· = 6= P (A ∩ B)
2 2
4
A und B sind also stochastisch abhängig.
= P (B) − P (A) · P (B)
P (A) · P (B) = (1 − P (A)) · P (B)
= P (B) − P (A) · P (B)
3
1
=
6
2
1
3
P (B) = =
6
2
1
P (A ∩ B) =
6
P (A) =
P (A) · P (B) =
qed.
144
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Analysis
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das Integral
Stammfunktion, unbestimmtes Integral
Die Funktion f ist durch die Gleichung f (x) = x
gegeben. Stammfunktionen von f sind die Funktionen FC mit den Gleichungen FC (x) = 12 x2 +C,
da FC′ (x) = 21 · 2x + 0 = x.
F heißt Stammfunktion von f , wenn
F ′ (x) = f (x) gilt.
y
F Stammfunktion von f =⇒ FC mit
FC (x) = F (x) + C ist Stammfunktion von F .
F und G Stammfunktionen von f =⇒
7
5
(F (x)−G(x))′ = F ′ (x)−G′ (x) = f (x)−f (x) = 0
und damit F (x) − G(x) = C (konstant).
F0
3
F−1
2
If = {FC | FC (x) = F (x) + C, C ∈ R}
1
−3
ist die Menge aller Stammfunktionen
von F .
Z
Z
Z
Z
d
(F (x) + C) = F ′ (x) = f (x)
dx
d
dx
Z
f (x) dx = f (x)
f (x) dx =
Z
g(x) dx ⇐⇒ f (x) = g(x)
Aber:
x
Z
a dx = ax + C
0 dx = C
a 2
x +C
2
Z
xn+1
xn dx =
+ C (n 6= −1)
n+1
Z
Z
dx
= ln |x| + C
x−1 dx =
x
Z
1
sin ax dx = − cos ax + C
a
Z
1
cos ax dx = sin ax + C
a
Z
1
eax dx = eax + C
a
Das Differenzieren hebt das Integrieren auf:
Z
3
Die folgenden Integralformeln beweist man einfach durch Ableiten der rechten Seite:
F ′ (x) dx = F (x) + C
f (x) dx =
2
f (x) dx = F (x) + C
Das Integrieren hebt das Differenzieren auf (bis
auf eine additive Konstante):
Z
1
Verschiedene Stammfunktionen einer Funktion f
gehen durch Verschiebungen parallel zur y-Achse
auseinander hervor.
f (x) dx = F (x) + C ⇐⇒ F ′ = f
Z
−2 −1
−1
If heißt unbestimmtes Integral von f :
d
dx
4
F ist Stammfunktion von f =⇒
If =
F2
6
f ′ (x) = g ′ (x) ⇐⇒ f (x) = g(x) + C
145
ax dx =
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Rechenregeln für unbestimmte Integrale
Z
x10
x9+1
+C =
+C
x9 dx =
9+1
10
Z
Z
x−3+1
dx
=
x−3 dx =
+C =
3
x
−3 + 1
1
=− 2 +C
2x
Z
Z
1
√
1
x 2 +1
2 3
x dx = x 2 dx = 1
+ C = x2 + C
3
+
1
2
Z
Z
3x2 dx = 3 x2 dx = x3 + C
Wir betrachten die Funktionen f , g und F mit
und F ′ (x) = f (x)
g(x) = a · f (x)
Dann ist G mit G(x) = a · F (x) eine Stammfunktion von g, denn
′
G′ (x) = (aF (x)) = a · F ′ (x) = af (x) = g(x)
Multipliziert man jede Stammfunktion von f mit
a, dann erhält man die Menge aller Stammfunktionen von g, oder kurz ausgedrückt:
Z
af (x) dx = a
Z
f (x) dx
Mit einer beliebigen Stammfunktion F von f
kann man auch schreiben:
Z
af (x) dx = aF (x) + C
Mit a = −1 erhält man:
Z
−f (x) dx = −
Z
f (x) dx
Addiert man jede Stammfunktion von f zu jeder Stammfunktion von g, dann erhält man die
Menge aller Stammfunktionen von h, oder kurz
ausgedrückt:
f (x) dx +
Z
4 dx
√
=
3
x5
Z
5
5
5
x− 3 +1
+C =
− 53 + 1
6
+C
+C = −√
3
x2
4x− 3 dx = 4 ·
= −6x− 3
und x ist die Integrationsvariable. Achte auf die
Integrationsvariable:
Z
a
ax2 dx = x3 + C
3
Z
1
ax2 da = a2 x2 + C
2
Z
ax2 dt = ax2 t + C
′
H ′ (x) = (F (x) + G(x)) =
= F ′ (x) + G′ (x) = f (x) + g(x) = h(x)
Z
Z
3
x− 5 +1
4x dx = 4 · 3
+C =
−5 + 1
2
√
x5
5
= 4 · 2 + C = 10 x2 + C
− 35
3
3 sin 5x dx = − cos 5x + C
5
Z
A
A cos ωt dt = sin ωt + C
ω
Z
1
e2x dx = e2x + C
2
Z
b
a
(ax2 + bx + c) dx = x3 + x2 + cx + C
3
2
Z
In dem Ausdruck f (x) dx heißt f (x) Integrand
und G′ (x) = g(x)
[f (x) + g(x)] dx =
Z
Z
Dann ist H mit H(x) = F (x)+G(x) eine Stammfunktion von h, denn
Z
4 dx
√
=
5
x3
2
Wir betrachten die Funktionen f , g, h, F und G
mit
h(x) = f (x) + g(x)
F ′ (x) = f (x)
Z
g(x) dx
Beweis einer Integralformel
Z
f (x) dx = F (x) + C :
Mit einer beliebigen Stammfunktion F von f und
einer beliebigen Stammfunktion G von g kann
man auch schreiben:
Z
[f (x) + g(x)] dx = F (x) + G(x) + C
Die Ableitung der rechten Seite F (x) + C
muss gleich dem Integranden f (x) sein!
Z
x
dx = x + ln(x − 1) + C
x−1
Beweis:
1
x
d
(x + ln(x − 1) + C) = 1 +
=
dx
x−1
x−1
146
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Funktion einer linearen Funktion
Achtung:
d
F (ax + b)
dx
Wir betrachten die verkettete Funktion h = f ◦ g
mit g(x) = ax + b:
′
h(x) = f (g(x)) = f (ax + b)
F (ax + b)
Ist F eine Stammfunktion von f , dann ist G mit
G(x) = a1 F (ax + b) eine Stammfunktion von h,
denn
ist die Ableitung der Funktion G
mit G(x) = F (ax + b) nach x
ist die Ableitung der Funktion F
an der Stelle ax + b
d
F (ax + b) = F ′ (ax + b) · a
dx
also:
Z
1 7x+3
e
+C
7
Z
1 (2x − 3)9
+C =
(2x − 3)8 dx = ·
2
9
(2x − 3)9
+C
=
18
Z
1
sin(ωt + ϕ) dt = − cos(ωt + ϕ) + C
ω
1 d
1
G (x) = ·
F (ax + b) = · F ′ (ax + b) · a =
a dx
a
= F ′ (ax + b) = f (ax + b) = h(x)
′
Ist F eine beliebige Stammfunktion von f ,
dann gilt für a 6= 0
Z
1
f (ax + b) dx = F (ax + b) + C
a
e7x+3 dx =
Aus
Integral und Logarithmus
d
sgn(f (x)) · f ′ (x)
ln |f (x)| =
=
dx
|f (x)|
sgn(f (x)) · f ′ (x)
f ′ (x)
=
=
f (x) · sgn(x)
f (x)
Für die Betragsfunktion (siehe S.116)
b(x) = |x| = x sgn(x)
gilt
folgt
d
|x| = sgn(x) für x 6= 0
b (x) =
dx
′
Z
f ′ (x)
dx = ln |f (x)| + C
f (x)
Ebenso gilt:
Wegen
Z
d
sgn(x)
sgn(x)
1
ln |x| =
=
=
dx
|x|
x sgn(x)
x
folgt
Z
Z
dx
= ln |x| + C
x
dx
1
= − ln | − 3x + 5| + C
−3x + 5
3
Z
Z
(x2 + 3)′
2x
dx
=
dx = ln |x2 + 3| + C
x2 + 3
x2 + 3
Z
Z
(x4 + x2 )′
4x3 + 2x
dx
=
dx = ln |x4 + x2 | + C
x4 + x2
x4 + x2
Z
Z 1
dx
x
=
dx =
x ln x
ln x
Z
(ln x)′
dx = ln | ln x| + C
=
ln x
Z
Z
2
2
1
1 2
xex dx =
2xex dx = ex + C
2
2
Z
Z
−(cos x)′
sin x
dx =
dx = − ln | cos x| + C
cos x
cos x
Damit folgt für a 6= 0:
Z
dx
1
= · ln |ax + b| + C
ax + b
a
Es fehlt noch das Integral von ln x:
Z
f ′ (x)ef (x) dx = ef (x) + C
ln x dx = x(ln x − 1) + C
Beweis:
d
d
(x(ln x − 1)) =
(x ln x − x) =
dx
dx
x
= ln x + − 1 = ln x
x
Aus dem letzten Beispiel folgt
Z
147
tan x dx = − ln | cos x| + C
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das Anfangswertproblem
Beispiel: Von einem Körpers kennt man die Beschleunigung
Gesucht ist eine Funktion F , von der man weiß,
dass
F ′ (x) = f (x) und
a(t) = a0 cos ωt
F (x0 ) = a
und die Anfangsbedingungen
mit bekanntem f , x0 und a (Anfangswertproblem) . F ist diejenige Stammfunktion von f , deren Graf den Punkt (x0 |a) enthält.
Ist F0 eine beliebige Stammfunktion von f , dann
gilt
F (x) = F0 (x) + C
v(0) = v0
Wegen v̇(t) = a(t) ist
a0
sin ωt + C1
ω
v(t) =
eine Stammfunktion von a.
Die Konstante C ermittelt man aus der Anfangsbedingung
v(0) = 0 + C1 = v0
F (x0 ) = F0 (x0 ) + C = a
=⇒
v(t) = v0 +
C1 = v0
=⇒
a0
sin ωt
ω
Wegen ẋ(t) = v(t) ist
√
F ′ (x) = x, F (4) = 5
√
1
3
Wegen f (x) = x = x 2 ist F0 (x) = 23 x 2 eine Stammfunktion von f . Die Anfangsbedingung
lautet dann
Beispiel:
F (4) = F0 (4) + C =
und x(0) = x0
x(t) = v0 t −
a0
cos ωt + C2
ω2
eine Stammfunktion von v.
2 23
·4 +C =5
3
x(0) = 0 −
2
1
· 8 + C = 5 =⇒ C = −
3
3
1
2√ 3 1
2 3
x −
F (x) = x 2 − =
3
3
3
3
a0
+ C2 = x0
ω2
C2 = x0 +
x(t) = x0 +
=⇒
a0
ω2
a0
a0
+ v0 t − 2 cos ωt
2
ω
ω
Die Flächenfunktion
La ist das Lot auf die x-Achse bei x = a, Lx bei x
(x ≧ a). Für f (x) ≧ 0 bezeichnen wir die Fläche
zwischen dem Grafen von f , der x-Achse und den
beiden Loten La und Lx mit A(x) (Flächenfunktion von f ). Ändert sich x um den kleinen Wert
∆x, dann ändert sich A(x) um
f
y
∆A
∆A = A(x + ∆x) − A(x) ≈ f (x)∆x
A(x)
oder
A(x + ∆x) − A(x)
≈ f (x)
∆x
Im Grenzfall ∆x → 0 geht der Differenzenquotient in die Ableitung über und aus dem ≈“ wird
”
ein =“:
”
A′ (x) = f (x)
∆x
a
x x + ∆x
x
Mit einer beliebigen Stammfunktion F von f gilt
A(x) = F (x) + C und A(a) = F (a) + C = 0
A ist also diejenige Stammfunktion von f die der
Anfangsbedingung
Die Konstante C ist also C = −F (a), d.h.
Für f (x) ≧ 0 im Intervall [a, x] (x ≧ a)
gilt für die Flächenfunktion
A(a) = 0
genügt.
A(x) = F (x) − F (a)
148
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Das bestimmte Integral
Ist F eine beliebige Stammfunktion von f , dann
nennt man
Zb
y
f
f (x) dx = F (b) − F (a)
a
Zb
a
a
f (x) dx = −
Za
A=
Za
x2 dx =
0
x3
3
a
=
0
sin x
2
2π
b
f (x) dx +
a
Zc
f (x) dx =
Zc
f (x) dx
a
b
Die Regeln für unbestimmte Integrale gelten auch
für bestimmte Integrale:
Zb
[f (x) + g(x)] dx =
a
Zb
f (x) dx +
a
Zb
sin(x) dx = [− cos x]0 = −(−1) − (−1) = 2
Z2π
sin(x) dx = [− cos x]2π
π = −1 − 1 = −2
Z2π
sin(x) dx = [− cos x]0 = −1 − (−1) = 0
0
af (x) dx = a
a
π
π
g(x) dx
a
Za
2π
y
f (x) dx
2
b
| sin x|
2
π
Spezialfall:
Zb
a
−f (x) dx = −
Za
f (x) dx
f (x) dx = −
a
Zb
a
−f (x) dx = −A
| {z }
=⇒
A=
Z2π
=
Zπ
0
≧0
wobei A die Fläche ist, die von Gf , der x-Achse
und den Geraden x = a und x = b eingeschlossen
wird.
f (x) ≦ 0
2π
x
Die Fläche, die vom Grafen von sin x und der xAchse zwischen x1 = 0 und x2 = 2π eingeschlossen wird, ist
b
Gilt f (x) ≦ 0 für alle x ∈ [a, b], dann ist
Zb
x
−2
Zπ
0
Zb
a3
03
a3
−
=
3
3
3
y
f (x) dx
π
Zb
x
b
Beispiel: Die Fläche, die von der Normalparabel,
der x-Achse und der Geraden x = a (a > 0) eingeschlossen wird, ist
Direkt aus der Definition des bestimmten Integrals folgt:
Zb
f (x) dx
a
das bestimmte Integral von f zwischen der unteren
Grenze a und der oberen Grenze b. R
b
Für a < b und f (x) ≧ 0 in [a, b] ist a f (x) dx die
Fläche, die von Gf , der x-Achse und den Geraden
x = a und x = b eingeschlossen wird.
In Berechnungen schreibt man für die Differenz
der Stammfunktion F an der oberen und unteren
Grenze:
b
F (b) − F (a) = [F (x)]a
| sin(x)| dx =
sin(x) dx +
0
π
[− cos x]0
Z2π
π
− sin(x) dx =
2π
=
+ [cos x]π =
= − cos π − (− cos 0) + cos 2π − cos π =
Integral ergibt negative Fläche
= −(−1) − (−1) + 1 − (−1) = 4
149
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
1 2 9
x − x+7
2
2
Nullstellen: x1 = 2 und x2 = 7. Gesucht ist die
Fläche, die von Gf , der x-Achse und den Geraden
x = 0 und x = 8 eingeschlossen wird.
Flächen als Integrale
Beispiel: f (x) =
Für ein beliebiges f gilt:
Die Fläche, die von Gf , der x-Achse
und den Geraden x = a und x = b eingeschlossen wird, ist
A=
Zb
y 7
6
|f (x)| dx
5
a
4
Vorsicht: Zuerst Betrag, dann integrieren, nicht
umgekehrt!
3
a
1
x2 =
A=
5π
4
5π
A=
π
4
(sin x − cos x) dx =
5π
= [− cos x − sin x] π4 =
5π π
π
5π
=
− sin
− − cos − sin
4
4
4
4
√
√
√
√
√
1
1
1
1
2+
2+
2+
2=2 2
=
2
2
2
2
Z8
8x
y
x
y
π
7
|f (x)| dx =
f (x) = e 2 , g(x) = e−x .
A ist der Inhalt des
Flächenstücks, das von
Gf , Gg und der Geraden
x = 2 begrenzt wird.
= − cos
π
4
6
A2
Beispiel:
4
0
5
8
7
2
Z
Z
Z
= f (x) dx + f (x) dx + f (x) dx =
7
2
0


2
 1

 3 9 2
7
8
=  x − x + 7x
+
(x)]
+
(x)]
[F
[F
=
2
7

|6
4
{z
} F (x)
0
19 125 17
109
1
=
+ −
=
= 18
+
3
12 12
6
6
Im Intervall [x1 , x2 ] ist sin x ≧ cos x, woraus folgt
Z4
4
−4
0
π
,
4
3
−3
Beispiel: A ist die Fläche, die im Intervall [0, 2π]
ganz von den Grafen von sin x und cos x eingeschlossen wird.
x1 =
2
−2
a
=⇒
1
−1
Die Fläche, die von den Grafen der
Funktionen f und g und den Geraden
x = a und x = b eingeschlossen wird,
ist
Zb
A = |f (x) − g(x)| dx
sin x = cos x
A3
0
xn
x1
A1
2
Sind x1 , x2 , ... , xn die Nullstellen von f im Intervall [a, b], dann ist
x
x
b
Z 1
Z 2
Z
A = f (x) dx + f (x) dx + ... + f (x) dx
2
y0
1
1
5π
4
2
5
x
−1
A=
Z2
0
x
2
x
e 2 − e−x dx = 2e 2 + e−x 0 =
= 2e + e−2 − 3 ≈ 2,57
150
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Integralfunktion
Die Funktion I mit
y
f
I(x) =
Zx
f (t) dt
a
heißt Integralfunktion von f mit unterer Grenze a.
Ist F eine beliebige Stammfunktion von f , dann
gilt
I(x) = F (x) − F (a)
I(x) =
Zx
f (t) dt
a
x
a
t
und damit
I(a) = 0
Beispiel: Stelle f mit f (x) = x2 − 4 als Integralfunktion dar.
I(x) ist also diejenige Stammfunktion von f , die
der Anfangsbedingung F (a) = 0 genügt.
Weiter folgt I ′ (x) = F ′ (x) = f (x), oder
d
dx
Zx
Die untere Grenze des Integrals muss eine Nullstelle von f sein, also a = −2 oder a = 2:
f (t) dt = f (x)
f (x) =
a
Zx
Zx
−2
f (t) dt
2
f ′ (t) dt
Zx
2x dt
2
x
2t dt = t2 2 = x2 − 22 = x2 − 4
2t dt =
a(τ ) dτ
Zt
v(τ ) dτ
2t dt +
| {z }
Zx
2t dt =
Zx
2t dt
2
2
0
y
Beispiel: Da die Geschwindigkeit v eines Körpers
die Änderungsrate des Ortes x und die Beschleunigung a die Änderungsrate der Geschwindigkeit
ist, gilt:
Zt
Z2
−2
−2
Das Integral über die momentane Änderungsrate
(Ableitung) f ′ zwischen den Grenzen a und x ist
also gleich der Änderung ∆f = f (x) − f (a) von
f im Intervall [a, x].
2t
4
−2
2
t0
x(t) = x(t0 ) +
−2
Zt
Auch so sieht man die Gleichheit der beiden Integrale:
a
v(t) = v(t0 ) +
2t dt =
x
2t dt = t2 −2 = x2 − (−2)2 = x2 − 4
Zx
′
oder
Zx
Zx
Eine Auswertung der beiden letzten Integrale mit
den verschiedenen unteren Grenzen zeigt, dass sie
tatsächlich gleich sind:
a
f (x) = f (a) +
f ′ (t) dt =
a
Die letzte Gleichung wird als Hauptsatz der
Differential- und Integralrechnung bezeichnet. Er
besagt im Wesentlichen, dass die Differentiation die Integration wieder aufhebt. Die Umkehrung davon, nämlich die Aufhebung des Ableitens
durch ein Integral, folgt aus der Tatsache, dass f
eine Stammfunktion von f ′ ist:
f (x) − f (a) =
Zx
t0
151
x
t
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Uneigentliche Integrale
Beispiel:
Ein bestimmtes Integral heißt uneigentlich, wenn
eine oder beide Grenzen im Unendlichen liegen
oder wenn der Integrand im Integrationsbereich
einen Pol besitzt.
Z∞
b
dx
1
=
=
lim
−
b→∞
x2
x 1
1
1 1
=1
= lim − +
b→∞
b 1
dx
= lim
b→∞
x2
1
Definitionen:
Z∞
f (x) dx = lim
b→∞
a
Zb
f (x) dx
Z1
a
f (x) dx = lim
a→−∞
−∞
Z∞
Zb
Zb
1
1
dx
= lim+ −
=
x2
x ε
ε→0
ε
1 1
= +∞
= lim − +
1 ε
ε→0+
dx
= lim+
x2
ε→0
0
f (x) dx
a
f (x) dx = lim
Zb
b→∞
−b
−∞
2
1
1
ε→0+
x0 +ε
a
y
f
x0
a
x0 − ε
b
Z1
y
f (x) dx
Hat f bei x0 einen Pol und gilt a < x0 < b, dann
definiert man
 x −ε

Z0
Zb
Zb
f (x) dx +
f (x) dx = lim 
f (x) dx
a
Zb
x
x0 + ε
152
2
6
x
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Geometrie
Definitionen und Regeln
Beispiele
Geraden
Lineare Unabhängigkeit von Vektoren
Beispiele:
2
−3
~a1 =
, ~a2 =
−3
4
λ1~a1 + λ2~a2 + . . . + λn~an mit λi ∈ R
heißt Linearkombination der Vektoren ~a1 , . . . , ~an .
λ1~a1 + λ2~a2 = ~o
Eine Menge A = {~a1 , . . . , ~an } von n
Vektoren heißt linear unabhängig, wenn
aus
λ1~a1 + . . . + λn~an = ~o
λ1~a1 + λ2~a2 = ~o
λ1 = λ2 = . . . = λn = 0.
=⇒
Enthält A den Nullvektor, dann ist A linear
abhängig:
λ1
~a2 = − ~a1 = λ~a1
λ2
| {z }
−3
4
=
2
−3
λ=
Widerspruch!
Also ~a1 ∦ ~a2 (siehe S. 135).
 
 
 
2
1
9
~e = 1 , f~ = −1 und ~g =  12
1
2
−3
A linear abhängig
Beweis: Sei z.B. an = ~o, dann gilt
λ1~a1 + . . . + λn~an = ~o
Aus λ~e + µf~ + ν~g = ~o folgt
mit
λ1 = . . . = λn−1 = 0,
=⇒
λ
A heißt linear abhängig, wenn A nicht
linear unabhängig ist.
=⇒
2λ1 − 3λ2 = 0
−3λ1 + 4λ2 = 0
Lösen des Gleichungssystems (Additionsverfahren, siehe S. 46) ergibt λ1 = λ2 = 0, d.h. ~a1 und
~a2 sind linear unabhängig. Einfacher:
folgt
~o ∈ A
=⇒
λn 6= 0
Erweiterte Definition der Parallelität zweier Vektoren:
Zwei Vektoren heißen kollinear oder
parallel, wenn sie linear abhängig sind.
(3) :
Damit ist der Nullvektor zu jedem Vektor parallel.
(2) − (3) :
(1) − 2 · (3)
Drei Vektoren heißen komplanar, wenn
sie linear abhängig sind.
(5) bzw. (6) :
2λ + µ + 9ν = 0
(1)
λ − µ + 12ν = 0
λ + 2µ − 3ν = 0
(2)
(3)
λ + 2µ − 3ν = 0
(4)
−3µ + 15ν = 0
−3µ + 15ν = 0
(7) in (1) :
~a1 , ~a2 , ~a3 linear abhängig bedeutet, dass es
λ1 , λ2 , λ3 gibt, die nicht alle drei gleich null sind
(z.B. sei λ3 6= 0), mit
λ1~a1 + λ2~a2 + λ3~a3 = ~o
~a3 = −
(5)
(6)
µ = 5ν
(7)
λ = −7ν
(8)
Z.B. für ν = 1 gilt: −7~e + 5f~ + ~g = ~o, also sind ~e,
f~ und ~g linear abhängig.
=⇒
λ1
λ2
~a1 − ~a2
λ3
λ3
µ~
a2
Von drei komplanaren (linear abhängigen) Vektoren ist mindestens einer als
Linearkombination der beiden anderen
darstellbar, d.h. die drei Vektoren sind
zu einer Ebene parallel.
~
a3
~
a2
~
a1
λ~
a1
~a1 , ~a2 und ~a3 komplanar: ~a3 = λ~a1 + µ~a2
153
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Geradengleichung
A sei ein Punkt einer Geraden g (A ∈ g) und
~v 6= ~o ein Vektor parallel zu g. Für jeden Punkt
X ∈ g gilt dann
X
g
~
v
A
−→
−→
AX k ~v , d.h. AX = λ~v mit λ ∈ R
~
x
~
a
Also ist
−→
g = {X | AX = λ~v , λ ∈ R}
O
→ −→
−
−
→
−→
Mit ~a = A = OA und ~x = X = OX gilt
h
−→
~x = ~a + AX
B
u
~
g
und damit
−→
g = {X | ~x = OX = ~a + λ~v , λ ∈ R}
A
~
v
oder kurz (Parameterform von g):
g:
 
 
1
2
−
→
g : ~x = A + λ~u = 2 + λ −1
3
1
 
 
2
−6
→
−
h : ~x = B + µ~v = 4 + µ  3
5
−3
 
 
0
1
→
−
k : ~x = C + ν w
~ = 4 + ν 1
4
2
 
1
−→
~v = −3~u =⇒ ~v k ~u, AB = 2 ∦ ~v =⇒
2
~x = ~a + λ~v
A heißt Aufpunkt und ~v Richtungsvektor der Geraden, λ ist der Parameter.
Gerade durch zwei Punkte A und B:
→
−
−→
~x = A + λAB
g = AB :
mit
−→ −
→ −
→
AB = B − A
Die beiden Geraden
→
−
g : ~x = A + λ~v
→
−
h : ~x = B + µ~u
und
g echt parallel zu h
→
−
→
−
w
~ ∦ ~v , g ∩ k =⇒ A + λ~u = C + ν w
~ =⇒
wenn
sind
2λ − ν = −1
~v k ~u
−→
echt parallel g k h ∧ g =
6 h ~v k ~u ∦ AB
−→
g=h
~v k ~u k AB
identisch
parallel
gkh
−λ − ν = 2
λ − 2ν = 1
(1)
(2)
(3)
Aus (2) und (3) folgt λ = ν = −1, damit ist auch
(1) erfüllt. λ in g oder ν in k: S (−1 3 2)
→
−
→
−
h ∩ k =⇒ B + µ~v = C + ν w
~ =⇒
Schnittmengen von g und h:
g∩h
wenn
−→
∅
~v k ~u ∦ AB (g echt parallel zu h)
−→
g=h
~v k ~u k AB
−→
{S}
~v ∦ ~u und ~u, ~v , AB komplanar
−→
∅ ~v ∦ ~u und ~u, ~v , AB nicht komplanar
(g und h windschief)
−6µ − ν = −2
(4)
−3µ − 2ν = −1
(6)
3µ − ν = 0
Aus (5) und (6) folgt ν =
(5)
1
1
, µ = , in (1):
3
9
6 1
− − = −1 6= −2
9 3
(1) nicht erfüllt =⇒ kein Schnittpunkt (h∩k = ∅).
154
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ebenen (Parameterform)
Eine Ebene E ist durch einen Punkt A ∈ E und
zwei linear unabhängige Richtungsvektoren ~u und
~v , die parallel zu E liegen, eindeutig bestimmt.
−→
Für jeden Punkt X ∈ E kann der Vektor AX als
Linearkombination von ~u und ~v dargestellt werden. Damit lautet die Gleichung von E in der
Parameterform:
~
v
A
u
~
~
x
O
oder ausführlich:
Beispiel: E :
−→ −
→
E = {X | OX = A + λ~u + µ~v }
→
−
−→
−→
~x = A + λAB + µAC
mit

 
 
2
−1
1
~x = −4 + λ  2 + µ  2
5
1
−2
−→ −
→ −
→
−→ −
→ −
→
AB = B − A und AC = C − A
Ebenen (Normalenform)
Ein Vektor ~n 6= ~o mit ~n ⊥ E heißt Normalenvektor
von E. Ist A ∈ E (Aufpunkt), dann gilt für jeden
Punkt X von E:
−→
AX ⊥ ~n
=⇒
(1) + (3)
=⇒
−→
~n · AX = 0
E
X
~
A
(1) + (3)
~
x
(1)
(2)
λ − 2µ = −4
(3)
µ = 5, λ = 6, in (2):
=⇒
−λ + µ = −5
2λ + 2µ = 2
(1)
(2)
λ − 2µ = 7
(3)
µ = −2, λ = 3, in (2):
2 · 3 + 2 · (−2) = 2
O
=⇒
Q∈E
Ein Normalenvektor von E ist das Kreuzprodukt
der Richtungsvektoren:
 
~e1 ~e2 ~e3 −6
1 = −1
~n′ = −1 2
1 2 −2 −4
−→
E = {X | ~n · AX = 0}
Vektorielle Normalenform von E:
→
−
~n(~x − A ) = 0


 
n1
x1
→
−
Mit ~n = n2 , ~x = x2  und ~n· A = d folgt die
n3
x3
Normalengleichung von E in Koordinatenform:
E:
−λ + µ = −1
2λ + 2µ = 5
2 · 6 + 2 · 5 = 22 6= 5 =⇒ P ∈
/E
   
 
 
−3
2
−1
1
Q ∈ E : −2 = −4 + λ  2 + µ  2
12
5
1
−2
~
n
A

Liegen P (1 1 1) bzw. Q (−3 − 2 12) in E?
   
 
 
1
2
−1
1
P ∈ E =⇒ 1 = −4 + λ  2 + µ  2
1
5
1
−2
Ebene durch drei Punkte A, B und C:
E:
E
~
A
→
−
~x = A + λ~u + µ~v
E:
X
→
−
Wir wählen ~n = −~n′ und erhalten mit ~n · A = 28
E:
6x1 + x2 + 4x3 − 28 = 0
→
−
Prüfen, ob P ∈ E: ~x durch P ersetzen:
n1 x1 + n2 x2 + n3 x3 − d = 0
6 · 1 + 1 + 4 · 1 − 28 = −17 6= 0
Sind die Richtungsvektoren ~u und ~v von E bekannt, dann ist ein Normalenvektor:
=⇒
P∈
/E
Q in E:
6 · (−3) + 1 · (−2) + 4 · 12 − 28 = 0
~n = ~u × ~v
155
=⇒
Q∈E
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Spurpunkte einer Geraden
Beispiel:
Die Schnittpunkte einer Geraden
 
   
v1
a1
x1
g : ~x = x2  = a2  + λ v2 
v3
a3
x3
g:
S12 : x3 = 2 + 2λ = 0 =⇒ λ = −1 =⇒
 
3
→
−
S 12 = ~g (−1) = 3 =⇒ S12 (3 3 0)
0
mit den Koordinatenebenen heißen Spurpunkte
von g.
{S12 } = g ∩ x1 x2 -Ebene =⇒ x3 = 0 =⇒
a3
v3
a3 v1
a3 v2
a2 −
0
S12 a1 −
v3
v3
x3 = a3 + λv3 = 0
=⇒
λ=−
=⇒
{S13 } = g ∩ x1 x3 -Ebene =⇒ x2 = 0
a2 v1
a2 v3
S13 a1 −
0 a3 −
v2
v2
=⇒
{S23 } = g ∩ x2 x3 -Ebene =⇒ x1 = 0
a1 v2
a1 v3
S23 0 a2 −
a3 −
v1
v1
=⇒
Analog: S13 (5 0 − 2), S23 (0 7,5 3)
Projektion von g in die x1 x2 -Ebene:
 
 
1
−2
g12 : ~x = 6 + λ  3
0
0
Projektion von g in die x1 x3 -Ebene:
 
 
1
−2
g13 : ~x = 0 + λ  0
2
2
x3
g
g13
3
Die Achsenabschnittsform
S13
Beispiel: E :
x2
d
n2
+
x3
d
n3
5x1 + 8x2 + 10x3 − 40 = 0
x2
x3
x1
+
+
=1
8
5
4
Aus der Normalenform der Ebenengleichung folgt
die Achsenabschnittsform der Ebene E:
+
S12
x2
7
g12
5
x1
d
n1
S23
3
Projektion von g in die x1 x2 -Ebene:
 
 
a1
v1
g12 : ~x = a2  + λ v2 
0
0
x1
 
 
1
−2
~x = ~g(λ) = 6 + λ  3
2
2
A1 (8 0 0) ,
=1
A2 (0 5 0) ,
A3 (0 0 4)
x3
4
Die Schnittpunkte von E mit den Koordinatenachsen sind
d
d
d
A1
0 0 , A2 0
0 , A3 0 0
n1
n2
n3
A3
5
A2
8
x1
156
A1
x2
=⇒
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die hessesche Normalenform (HNF)
Die Abbildungen zeigen E von der Seite“, also
”
nur als Gerade:
Da es unendlich viele Normalenvektoren auf eine
Ebene E gibt, gibt es auch unendlich viele verschiedene Normalengleichungen von E. Eindeutigkeit erreicht man mit folgender Forderung: Der
Normalenvektor soll den Betrag eins haben und,
wenn sein Anfangspunkt in der Ebene liegt, vom
Ursprung O wegzeigen. Teilt man einen beliebigen Normalenvektor ~n durch seinen Betrag, dann
erhält man schon einen der beiden Normaleneinheitsvektoren ~n0 bzw. ~n′0 = −~n0 . ~n0 soll mit dem
−→
Aufpunktsvektor ~a = OA (oder einem beliebigen
Vektor von O zu einem Ebenenpunkt) einen Winkel ≦ 90◦ einschließen, d.h. ~n0 ·~a ≧ 0. Das erreicht
man (für ~a · ~n 6= 0) durch
~n0 =
E
~
n0
A
~
n0
ϕ
O
~
n′0
~
a
ϕ′
~
n′0
P
E
d
~
n0
α
~n
|~n| · sgn(~n · ~a)
A
F
α < 90◦
cos α > 0
~
n0
~
a
Zeigt ~n schon in die gewünschte Richtung (von O
weg), dann ist ~a · ~n > 0 und sgn(~a · ~n = 1, für
den anderen Fall ist sgn(~a · ~n = −1 und ~n0 zeigt
in die Gegenrichtung von ~n, also auch wieder von
O weg. Für ~a · ~n = 0 kann man beide Richtungen
des Normalenvektors verwenden, denn in diesem
Fall gilt O ∈ E.
Ist ~n ein Normalenvektor einer Ebene E, dann
heißt
O
E
~
n0
A
α > 90◦
cos α < 0
α F
d
~
n0
~
a
ϕ
P
O
E:
~n0 (~x − ~a) =
~n(~x − ~a)
=0
|~n| · sgn(~n · ~a)
Beispiel: E :
die hessesche Normalenform (HNF) von E.
Ist P irgend ein Punkt des R3 , dann nenen wir s
mit
−→
s(P) = ~n0 · AP = ~n0 · (~
p − ~a)
−~
n~
a
P (4 − 2 − 3)

2
~n = −1 , |~n| = 3,
2

Abstandsfunktion. Es gilt nämlich
−→
d(P) = |s(P)| = |~n0 | ·|AP| · | cos α|
|{z}
1
sgn(~n~a) = −1
ist der Abstand des Punktes P von der Ebene E.
s(P) > 0
=⇒ P und O auf verschiedenen
Seiten von E
s(P) < 0
=⇒ P und O auf der gleichen
Seite von E
2x1 − x2 + 2x3 +8 = 0
|{z}
=⇒
~n~a = −8
 
−2
1 
~n
1
~n0 = − =
3
3
−2
−2x1 + x2 − 2x3 − 8
=0
3
−2 · 4 + (−2) − 2 · (−3) − 8
= −4
s(P) =
3
d(P) = |s(P)| = 4
 
 


4
−2
4
→  
−
1  1
1 =
−2
F = −2 − (−4) ·
3
3
−3
−2
−17
HNF von E:
Für den Fusspunkt F des Lotes von P auf E gilt:
−
→
→
−
F = P − s(P) · ~n0
 


 
4
−2
−4
−′   8  1
→
1 =
2
P = −2 +
3 −2
3 −25
−3
Für den Spiegelpunkt P′ von P an E gilt:
−′ −
→
→
P = P − 2 · s(P) · ~n0
157
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Schnittwinkel
Beispiel:
 
1
~a = 1 ,
1
Schnittwinkel ϕ zwischen g und E mit
und E : ~n (~x − ~b) = 0 :
g : ~x = ~a + λ ~v
cos(90◦ − ϕ) = sin ϕ =
 
1
~u = 2 ,
2
 
4
~n1 = 4 ,
7
|~n · ~v |
|~n| · |~v |
~
n
ϕ
α


2
~n2 = −1
−2
g1 : ~x = ~a + λ~u
g2 : ~x = ~a + µ~v
E1 : ~n1 (~x − ~a) = 0
E2 : ~n2 (~x − ~a) = 0
E
α =<
) (g1 , E1 )
β =<
) (E1 , E2 )
|~n1 · ~n2 |
|~n1 | · |~n2 |
cos ϕ =
~
n2
~
n1
sin α =
=⇒
α = 74,4◦
=⇒
cos β =
E1
ϕ
E2
Sind ~n01 und ~n02 Normaleneinheitsvektoren der
Ebenen E1 und E2 , dann sind Normalenvektoren
der winkelhalbierenden Ebenen von E1 und E2
gegeben durch
und
w
~ 2 = ~n02 − ~n02
w
~1
E1
~
n02
~
n01
ϕ
2
ϕ
2
ψ
2
ψ
2
Die Winkelhalbierenden von g1 und g2 und die
winkelhalbierenden Ebenen von E1 und E2 haben
die Gleichungen
w
~2
−~
n◦
1
h1 : ~x = ~a + λ~r1
E3 : w
~ 1 (~x − ~a) = 0
E2
Die Richtungsvektoren der Winkelhalbierenden
zweier sich schneidender Geraden mit den Richtungsvektoren ~v1 und ~v2 sind
w
~ 1 = ~v01 + ~v02
und
10
|~n1 · ~n2 |
=
|~n1 | · |~n2
27
=⇒ β = 68,3◦
 
 
4
2
~n1
1 
1 
~n2
4 , ~n02 =
−1
~n01 =
=
=
|~n1 |
9
|~n2 |
3
7
−2
 
10
1
w
~ 1 = ~n01 + ~n02 =  1 
9
1
 
−2
1
w
~ 2 = ~n01 − ~n02 =  7
9
13
 
 
1
1
~v
1 
1 
~u
2 , ~u0 =
4
~v0 =
=
=
|~v |
3
|~u|
9
2
8
 
2
2
~r1 = ~u0 + ~v0 = 5
9
7
 
1
2 
1
~r2 = ~u0 − ~v0 =
9
−1
ϕ
w
~ 1 = ~n01 + ~n02
26
|~u · ~n1 |
=
|~u| · |~n1
27
=⇒
g
Schnittwinkel ϕ zwischen zwei Ebenen mit den
Normalenvektoren n1 und n2 :
 
1
~v = 4
8
h2 : ~x = ~a + µ~r2
E4 : w
~ 2 (~x − ~a) = 0
Zur Berechnung der Winkelhalbierenden müssen
Einheitsvektoren (oder zumindest gleich lange Vektoren) verwendet werden, da Diagonalen
im Parallelogramm nur dann Winkelhalbierende
sind, wenn das Parallelogramm eine Raute ist.
w
~ 2 = ~v02 − ~v01
158
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Umwandlungen
Umwandeln von der Normalenform
Umwandeln einer Ebenengleichung von der Parameterform
E:
E:
~x = ~a + λ~u + µ~v
in die Parameterform: mögliche Richtungsvektoren sind




0
n2
~v =  n3  , ~u = −n1 
−n2
0
in die Normalenform:
~n(~x − ~a) = 0 mit ~n = λ · ~u × ~v
E:
Beispiel:
Schnittmengen
 
 
12
2
~a =  6  , ~b = 3 ,
9
4
 
 
−1
1
~v =  2 , ~n = 4 ,
3
8
Schnitt Gerade - Ebene:
g :
E :

n1
~n(~x − ~a) = 0 mit ~n = n2 
n3

~x = ~a + λ ~v
~n (~x − ~b) = 0
(I)
(II)
Einsetzen von (I) in (II):
~n (~a − ~b + λ ~v ) = 0
g : ~x = ~a + λ~v
~n (~b − ~a)
~n ~v
Für ~n ~v =
6 0 gibt es einen Schnittpunkt S mit
λ=
E : ~n(~x − ~b) = 0
F : m(~
~ x − ~c) = 0
  

1
−10
4 ·  −3
8
−5
−62
= −2
g in E : λ =     =
31
1
−1
4  ·  2 
8
3
−
→
~n (~b − ~a)
· ~v
S = ~a + λ~v = ~a +
~n ~v
g ∩ E = ∅ (g k E) für ~n ~v = 0 und ~n (~b − ~a) 6= 0
g ∩ E = g für ~n ~v = 0 und ~n (~b − ~a) = 0
 
   
12
−1
14
−
→
g ∩E = {S} mit S =  6  − 2 ·  2 =  2 
9
3
3
Schnitt Ebene - Ebene:
E : ~n (~x − ~a) = 0,
 
1
~c = 4
5
 
1
m
~ = 2
2
F : m
~ (~x − ~b) = 0
~n ∦ m,
~ ein Richtungsvektor der Schnittgeraden h
von E und F ist
 
 
8
4
′
~
u
~u′ = m×~
~ n = −6 , wir wählen ~u =
= −3
2
2
1
Zuerst untersucht man die gegenseitige Lage der
beiden Ebenen. Sie sind parallel, wenn m
~ = λ · ~n
gilt. Die Ebenen fallen zusammen, wenn zusätzlich der Verbindungsvektor ~b − ~a der Aufpunkte
senkrecht zu den Normalenvektoren steht.
Wir brauchen einen gemeinsamen Punkt von E
und F als Aufpunkt von h. Dazu setzen wir in
den Gleichungen von E und F x3 = 0:
E ∩ F = ∅ (E k F ) für ~n k m
~ und ~n (~b − ~a) 6= 0
E ∩ F = E für ~n k m
~ und ~n (~b − ~a) = 0
E:
F :
Im Fall ~n ∦ m
~ ist ein Richtungsvektor der Schnittgeraden durch das Kreuzprodukt ~v = ~n × m
~ der
Normalenvektoren gegeben. Aus den Ebenengleichungen folgt
n1 x1 + n2 x2 + n3 x3 + n4
= 0
(III)
m1 x1 + m2 x2 + m3 x3 + m4 = 0
x1 + 4x2 − 46 = 0
x1 + 2x2 − 19 = 0
Die Lösung dieses Gleichungssystems ist x1 = −8,
x2 = 13,5, also:


 
−8
4
E ∩ F = h mit h : ~x = 13,5 + µ · −3
0
1
In (III) wählt man eine x-Koordinate beliebig
(z.B. x3 = 0) und löst nach den beiden anderen x-Koordinaten auf; damit hat man auch einen
Aufpunkt der Schnittgeraden gefunden.
159
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Abstand Punkt-Gerade
Um den Abstand d eines Punktes P von der Geraden
g : ~x = ~a + λ~v
A
E
zu berechnen, betrachten wir die Ebene E, die P
enthält und senkrecht auf g steht. Der Richtungsvektor ~v der Geraden ist dann Normalenvektor
von E:
→
−
E : ~v (~x − P ) = 0
F
~
v
g
d
F ist der Schnittpunkt von g mit E (siehe S. 159)
→
−
−
→
~v ( P − ~a)
F = ~a +
· ~v
~v ~v
P
Vorsicht, einen Faktor eines Skalarprodukts kann man nicht kürzen!
Beispiel:
→
−
~x = A + λ~v , P (2 4 0)
 
 
1
2
→  
−
0 , ~v =  2
mit A =
−1
−1
 
 
2
1
1 
−→  
~v
2
=
AP = 4 , ~v0 =
|~v |
3
−1
1
−→2
−→
AP = 18, ~v0 · AP = 3
 
3
→
−
F = ~a + 3~v0 =  2
−2
 
−1
−→  
2
FP =
2
 
4
→′ −
−
→ −→  
0
P = F − FP =
−4
g:
−→ −
→
~v
Wegen ~v~v = |~v |2 , AP = P − ~a und ~v0 =
gilt
|~v |
−→
−
→
F = ~a + [~v0 AP] · ~v0
−→
Der gesuchte Abstand ist d = FP = FP mit
−→
−→ −
→ −
→ −
→
FP = P − F = P − ~a − [~v0 AP] · ~v0 =
−→
−→
= AP − [~v0 AP] · ~v0
−→
−→
−→
−→
d2 = FP2 = AP2 − 2[~v0 AP]2 + [~v0 AP]2 · ~v02
−→
−→
= AP2 − [~v0 AP]2
d = d(P, g) =
q
−→
−→2
AP − [~v0 AP]2
160
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Abstand von zwei windschiefen Geraden
Die kürzeste Verbindung [PQ] zwischen den Geraden
g : ~x = ~a + λ ~u
und
m
~
g
P
h : ~x = ~b + µ ~v
h
~
n
d
−→
steht senkrecht auf g und auf h, d.h. QP ist ein
Vielfaches von
~n = ~u × ~v
u
~
B
~
v
~
a
~b
Die Ebene
O
E : ~n (~x − ~a) = 0
enthält g und ist parallel zu h, d.h. jeder Punkt
von h hat von E den Abstand d = QP:
Beispiel:
g:
d = |s(B, E)| = |~n0 (~b − ~a)|
mit
~n0 =

 
 
 
6
0
−3
5
~a =  5  , ~b = 3 , ~u = −4 , ~v =  2
16
9
4
−4
 
 
8
4
~u × ~v =  8  =⇒ ~n = 4
14
7
~n · ~a = 156, sgn(~n · ~a) = 1
 
 
4
−6
1  ~
4 , b − ~a = −2
~n0 =
9
7
−7
−→ −
→ −
→
QP = P − Q = −s(Q, E)~n0 = −[~n0 (~b − ~a)]~n0
Setzt man diese Gleichung in
− ~
→
−→
P = b + µ~v + QP = ~a + λ~u
s(Q, E) = s(B, E) = n0 (~b − ~a) = −9
ein, erhält man
d = |s(B, E)| = 9
 
4
−→
QP = −s(B, E)~n0 = 9~n0 = 4
7
−
→
Aus ~b + µ~v + QP = ~a + λ~u folgt
µ~v − λ~u = ~a − ~b + [~n0 (~b − ~a)]~n0
Aus dieser Gleichung berechnet man λ und µ und
damit
− ~
→
Q = b + µ~v
5µ + 3λ = 2
2µ + 4λ = −2
Oder: Ebene F mit g ⊂ F und Q ∈ F :
(1)
(2)
−4µ − 4λ = 0
F : m(~
~ x − ~a) = 0 mit m
~ = ~n × ~u
Q ist der Schnittpunkt von h mit F :
(2) + (3) : −2µ = −2
(3)
m(
~ ~b + µ~v − ~a) = 0
µ=
~x = ~b + µ~v
h:

(siehe S. 157, Abstandsfunktion).
Die Endpunkte der kürzesten Verbindungsstrecke
zwischen g und h seien P und Q (P ∈ g, Q ∈ h),
P ist also der Fußpunkt des Lotes von Q auf E
(siehe S. 157):
und
~x = ~a + λ~u,
mit
~n
|~n| · sgn(~n · ~a)
−
→
P = ~a + λ~u
A
Q
=⇒
=⇒
(3)
µ=1
λ = −1
µ = 1 und λ = −1 erfüllt auch (1).
 
9
→
−
P = ~a + λ~u =  9 
=⇒ P (9 9 12)
12
 
5
→ ~
−
Q = b + µ~v = 5
=⇒ Q (5 5 5)
5
m(~
~ a − ~b)
m~
~v
− ~
→
m(~
~ a − ~b)
· ~v
Q = b + µ~v = ~b +
m~
~v
Analog:
−
→
(~n × ~v )(~b − ~a)
· ~u
P = ~a + λ~u = ~a +
(~n × ~v )~u
161
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Wahrscheinlichkeit
Definitionen und Regeln
Beispiele
Zufallsgrößen
Beispiel: Zwei Würfel werden geworfen:
(Ω, P(Ω), P ) sei ein Wahrscheinlichkeitsraum.
Eine Funktion
Ω = {11, 12, 13, . . . , 65, 66}
mit |Ω| = 62 = 36 und P (ik) =
X : Ω→R
die jedem ω ∈ Ω eine reelle Zahl x = X(ω) zuordnet, heißt Zufallsvariable oder Zufallsgröße.
Da wir nur Wahrscheinlichkeitsräume mit endlichem Ω (|Ω| = n ∈ N) betrachten, besteht die
Wertemenge WX einer Zufallsgröße X aus endlich vielen reellen Zahlen, die wir mit einem Index
durchnummerieren:
X : Ω → R mit X(ik) = i + k
z.B. X(35) = 3 + 5 = 8.
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
WX = {x1 , x2 , . . . , xk }
mit k ≦ n. Die Ereignisse
Ai = {ω | X(ω) = xi }
bilden eine Zerlegung von Ω (siehe S.53 und
S.141). Mit der Kurzschreibweise X = xi meint
man einfach Ai . Analog meint man mit der
Schreibweise X < x die Menge aller ω ∈ Ω mit
X(ω) < x.
(7 − 2)2 · 1 (7 − 3)2 · 2 (7 − 4)2 · 3
+
+
...+
36
36
36
r
35
35
(7 − 12)2 · 1
=
, σ=
≈ 2,41
+
36
6
6
1
F (4) = P (X ≦ 4) = P (2) + P (3) + P (4) =
6
µ
Ist die Balkenbreite W
σ
σ
im Histogramm von 5
36
W gleich eins, dann
ist F (xi ) gleich der
F (8)
1
Summe aller Balken- 36
2 3 4 5 6 7 8 9 101112
flächen von x1 bis xi .
x
xi W (xi )
Ein Maß für die mittlere Abweichung vom Erwartungswert ist die Varianz von X:
i=1
1
36
2
36
3
36
4
36
5
36
6
36
5
36
4
36
3
36
2
36
1
36
Var(X) =
i=1
Var(X) =
W (x) = P (A)
3
1
=
36
12
12 · 1
2·1 3·2
+
+ ...+
=7
µ = E(X) =
36
36
36
Erwartungswert von X:
k
X
A
{11}
{12, 21}
{13, 22, 31}
{14, 23, 32, 41}
{15, 24, 33, 42, 51}
{16, 25, 34, 43, 52, 61}
{26, 35, 44, 53, 62}
{36, 45, 54, 63}
{46, 55, 64}
{56, 65}
{66}
W (4) = P (X = 4) =
W (xi ) = P (Ai ) = P (X = xi )
µ = E(X) =
=x
=2
=3
=4
=5
=6
=7
=8
=9
= 10
= 11
= 12
X = 4 bedeutet A = {13, 22, 31}
Die Funktion W , die jedem xi ∈ WX die
Wahrscheinlichkeit P (Ai ) zuordnet, heißt
Wahrscheinlichkeitsfunktion
oder Wahrscheinlichkeitsverteilung von X:
k
X
1
.
36
F
1
(xi − µ)2 W (xi )
26
36
21
36
Standardabweichung von X:
P (5 < X ≦ 8) = F (8) − F (5)
15
36
10
36
p
σ = Var(X)
Die Funktion F : R → R mit
X
W (xi )
F (x) = P (X ≦ x) =
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
x
P (5 < X ≦ 8) = P (6 ≦ X ≦ 8) = F (8) − F (5) =
4
26 10
−
= = P (6) + P (7) + P (8)
=
36 36
9
xi ≦x
heißt kumulative Verteilungsfunktion von X.
162
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Kombinatorik – Urnenmodell
Geordnet mit Zurücklegen (GZ)
Gegeben sei eine Grundmenge A mit |A| = n
(kurz: eine n-Menge).
Die geordneten Stichproben der Länge k aus der
n-Menge A mit Zurücklegen sind einfach alle kTupel aus A, d.h. die Menge Ak . Die Anzahl dieser Stichproben ist
Ein k-Tupel S = (a1 |a2 | ... |ak ) ∈ Ak nennen wir
Stichprobe aus A der Länge k“ oder kurz k”
”
Sichprobe aus A“. Zur Veranschaulichung denken
wir uns A als Urne mit n Kugeln, die von eins bis
n nummeriert sind.
Es gibt grundsätzlich zwei Arten, eine Stichprobe
zu ziehen:
Beispiele:
• Auf wie viele verschiedene Arten kann man
fünf Personen auf 26 Zimmer verteilen, wobei sich in jedem Raum beliebig viele Personen aufhalten dürfen?
Die Kugeln werden der Reihe nach gezogen,
ohne wieder zurück gelegt zu werden, d.h.
in S gibt es nur voneinander verschiedene
Elemente. Zu dem gleichen Ergebnis kommt
man, wenn die Kugeln mit einem Griff“ ge”
zogen werden.
Die Antwort auf beide Fragen ist
GZ(26, 5) = 265 = 11 881 376
• Mit Zurücklegen (Z)
Jede Kugel wird nach dem Ziehen wieder
zurück gelegt, d.h. jedes Element aus A
kann beliebig oft erscheinen.
Geordnet ohne Zurücklegen (GZ)
Jedes k-Tupel (a1 , a2 , ... , ak ) ∈ Ak
mit lauter verschiedenen ai heißt kPermutation aus A.
Berücksichtigt man, in welcher Reihenfolge die
Elemente einer Stichprobe gezogen werden (wenn
z.B. (1|2|3) von (2|3|1) unterschieden werden
soll), dann spricht man von einer geordneten
Stichprobe (kurz G), anderenfalls von einer ungeordneten Stichprobe (kurz G).
Die Grundaufgabe der Kombinatorik besteht nun
darin, in folgenden vier Fällen die Anzahl der verschiedenen k-Sichproben aus A zu berechnen:
:
geordnet mit
:
geordnet ohne
: ungeordnet ohne
: ungeordnet mit
(3)
• Wie viele fünfbuchstabige Wörter kann man
aus 26 Buchstaben bilden?
• Ohne Zurücklegen (Z)
GZ
GZ
GZ
GZ
GZ(n, k) = Ak = |A|k = nk
Eine k-Permutation ist also eine geordnete Stichprobe ohne Zurücklegen (GZ).
GZ(n, k) = n · (n − 1) · (n − 2) · ... · (n − k + 1)
Definition:
Zurücklegen
Zurücklegen
Zurücklegen
Zurücklegen
n! =
(
1
für n = 0
n(n − 1)! für n ∈ N
Daraus folgt
n! = 1 · 2 · 3 · ... · n
Rein mengentheoretisch betrachtet besteht die
Grundaufgabe der Kombinatorik darin, die
Mächtigkeit folgender Mengen zu berechnen:
und damit
GZ(n, k) =
G Z : Ak (Menge aller k-Tupel aus A)
G Z : Menge aller k-Tupel aus A mit lauter
verschiedenen Elementen
(k-Permutationen aus A)
G Z : Menge aller k-Teilmengen aus A
G Z : Menge der ungeordneten k-Tupel aus A
n!
(n − k)!
Eine n-Permutation aus A mit |A| = n heißt einfach Permutation von A.
GZ(n, n) = n!
Beispiel: 26 Spielsteine enthalten jeden Buchstaben des Alphabets genau einmal. Wie viele fünfbuchstabige Wörter kann man daraus bilden?
Beispiel: A = {1, 2, 3}, n = |A| = 3, k = 2:
G Z : Ak = {(1|1), (1|2), (1|3), (2|1), (2|2), (2|3),
(3|1), (3|2), (3|3)}
G Z : {(1|2), (1|3), (2|1), (2|3), (3|1), (3|2)}
G Z : {{1, 2}, {1, 3}, {2, 3}}
G Z : {(1|1), (1|2), (1|3), (2|2), (2|3), (3|3)}
GZ(26, 5) = 26 · 25 · . . . · 22 =
163
26!
= 7 893 600
21!
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ungeordnet ohne Zurücklegen (G Z)
Beispiele:
10 · 9 · 8
10
10!
=
= 120
=
7! · 3!
1·2·3
3
G Z(n, k) ist die Anzahl der verschiedenen ungeordneten Stichproben der Länge k aus einer nMenge A, d.h. G Z(n, k) ist die Anzahl der verschiedenen k-Teilmengen der n-Menge A. Da man
die Elemente einer k-Menge auf k! Arten anordnen kann, gibt es zu jeder k-Teilmenge von A genau k! verschiedene k-Tupel. Die Anzahl der verschiedenen k-Tupel ist also k!-mal der Anzahl der
verschiedenen k-Teilmengen:
GZ(n, k) = G Z(n, k) · k!
G Z(n, k) =
1000
1000 · 999 · 998
1000
=
=
=
1·2·3
997
3
= 500 · 333 · 998 = 166 167 000
(a + b)3 =
=⇒
n!
GZ(n, k)
=
k!
k!(n − k)!
= a3 + 3a2 b + 3ab2 + b3
Definition der Binomialkoeffizienten ( n über k“)
”
für n ∈ N, k ∈ N0 :

n!

n
= k!(n − k)!

k
0
3 3 0
3 2 1
a b +
a b +
0
1
3 1 2
3 0 3
+
a b +
a b =
2
3
n X
n
k=0
für 0 ≦ k ≦ n
für k > n
k
=
n X
n n−k k
1
1 = (1 + 1)n = 2n
k
k=0
Lotto 6 aus 49“, Anzahl der Möglichkeiten, einen
”
Tippschein auszufüllen:
49!
49
=
= 13 983 816
6! · 43!
6
n · (n − 1) · . . . · (n − k + 1)
n
=
k!
k
Damit gilt: Es gibt
Binomialkoeffizienten mit dem Taschenrechner
(je nach Fabrikat und Modell, hier z.B. mit dem
CASIO fx-86 DE):
n
G Z(n, k) =
k
49 shift
verschiedene k-Teilmengen einer n-Menge.
nCr 6 =
13 983 816
Eigenschaften der Binomialkoeffizienten:
Wie viele verschiedene Zeichenketten ( Wörter“)
”
kann man aus k Einsen und n − k Nullen bilden?
Die Einser stehen an den Plätzen a1 , a2 , . . . , ak
mit ai ∈ {1, 2, 3, . . . , n} = A. Zu jeder Zeichenkette gibt es also genau eine k-Teilmenge der nMenge A. Die gesuchte Zahl der Zeichenketten
ist also gleich der Anzahl der verschiedenen kTeilmengen von A, also nk .
n
n
=
=1
n
0
n
n
=
=n
n−1
1
n
n
=
k
n−k
Aus kEinsen
und n − k Nullen kann
n
man
verschiedene Zeichenketten
k
bilden.
n
n
n+1
+
=
k
k−1
k
Andere Formulierung:
Mit der letzten Formel und dem Prinzip der
vollständigen Induktion beweist man die binomische Formel für beliebige n ∈ N:
n
verschiek
dene Arten auf n leere Urnen verteilen,
wobei höchstens eine Kugel in einer Urne liegen darf.
k Kugeln kann man auf
n X
n n−k k
(a + b) =
a
b
k
n
k=0
164
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Duale Version
Anstatt k Kugeln aus einer Urne mit n Kugeln
zu ziehen, kann man auch k Kugeln auf n nummerierte Urnen verteilen. Für manche Aufgaben
ist es vorteilhafter, diese duale Version des Urnenmodells zu verwenden.
Dem Ereignis die i-te gezogene Kugel trägt die
”
Nummer r“ des Urnenmodells entspricht in der
dualen Version die i-te Kugel wird in die r-te
”
Urne gelegt“.
Damit lauten die vier Grundaufgaben in der dualen Version:
GZ : k
unterscheidbare Kugeln auf n Urnen verteilen;
unterscheidbare Kugeln auf n Urnen verteilen;
GZ : k
G Z : k ununterscheidbare Kugeln auf n Urnen verteilen;
G Z : k ununterscheidbare Kugeln auf n Urnen verteilen;
beliebig viele Kugeln in jede
höchstens eine Kugel in jede
höchstens eine Kugel in jede
beliebig viele Kugeln in jede
Urne
Urne
Urne
Urne
Das Mississippi-Problem
Das duale Problem: Auf wie viele Arten kann man
elf nummerierte Kugeln in vier Urnen S, I, P und
M legen, wobei in S vier, in I vier, in P zwei und
in M eine Kugel liegen soll?
Auf wie viele Arten kann man die Buchstaben des
Wortes MISSISSIPPI anordnen?
Andere Fragestellung: Wie viele Wörter kann
man aus 4 S, 4 I, 2 P und einem M bilden?
S
S
S
I
S
I
I
I
P P
M
1
Allgemeine Formulierung des Problems:
Es sind k1 Objekte der Sorte 1, k2 Objekte
der Sorte 2, ... , kn Objekte der Sorte n gegeben, wobei Objekte der gleichen Sorte ununterscheidbar sind.
Auf wie viele Arten lassen sich diese
11
5
2
I
10
9
11
10
9
1
P
M
Wie groß ist die Anzahl der verschiedenen k-Tupel aus einer n-Menge A, bei
der das i-te Element ai von A genau
ki -mal vorkommt?
k = k1 + k2 + ... + kn
Den Beweis führen wir für die erste Form des Problems:
Es gibt also
z ist die gesuchte Zahl von Anordnungen. Jetzt
denken wir uns alle Objekte unterscheidbar.
Dann gibt es für jede der z Anordnungen ki ! Umordnungen der Objekte der Sorte i, d.h. für unterscheidbare Objekte gibt es z · k1 ! · k2 ! · ... · kn !
Anordnungen. Diese Zahl ist aber gleich k!, d.h.
z=
3
8
8
7
Die mengentheoretische Version:
k!
k1 ! · k2 ! · ... · kn !
=⇒
7
4
6
Wie viele Möglichkeiten gibt es, k verschiedene Objekte in n unterscheidbare
Kästen zu legen, so dass ki Objekte im
Kasten i sind (1 ≦ i ≦ n)?
Die Antwort auf alle drei Fragen ist
z·k1 !·k2 !·...·kn ! = k!
6
5
4
Die duale Version:
Objekte anordnen?
mit
3
S
k = k1 + k2 + ... + kn
z=
2
z=
11!
= 34 650
4! · 4! · 2! · 1!
Umornungen der Buchstaben von MISSISSIPPI.
k!
k1 ! · k2 ! · ... · kn !
165
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Ungeordnet mit Zurücklegen (GZ)
Die duale Version:
Ein Beispiel für eine ungeordnete Stichproben mit
Zurücklegen wäre das Ziehen der Lottozahlen mit
Zurücklegen.
k ununterscheidbare Kugeln auf n Urnen
verteilen; beliebig viele Kugeln in jede Urne.
Äquivalentes Problem:
Auf wie viele Arten kann man k Kugeln
und n − 1 Trennwände nebeneinander anordnen?
Dieses Problem ist aber nichts anderes als das
MISSISSIPPI-Problem mit k1 = k und k2 = n−1:
1
(k + n − 1)!
k+n−1
GZ(n, k) =
=
k! · (n − 1)!
k
3
2
4
5
Lotto 6 aus 49“ mit Zurücklegen der gezogenen
”
Kugeln. Anzahl der Möglichkeiten, einen Tippschein auszufüllen:
54
GZ(49, 6) =
= 25 827 165
6
Wege im Gitter
Als Weg von A nach B im nebenstehend gezeichneten nm-Gitter bezeichnen wir eine Verbindung
von A nach B auf den Gitterlinien mit der Länge
n + m (ein Kästchen hat die Länge 1). Ein Weg
besteht also aus Teilstrecken nach rechts und nach
oben. Die Teilstrecken werden, bei A beginnend,
durchnummeriert. Eine n-Teilmenge mit Zahlen
aus dem Intervall [1, n + m] beschreibt einen Weg
von A nach B, wenn jede der Zahlen die Nummer
eines nach rechts gezogenen Teilstücks angibt.
Die Anzahl der verschiedenen Wege von A nach
B in einem nm-Gitter ist also gleich der Zahl der
n-Teilmengen aus einer n + m-Menge:
B
m
3
2
1
A
0
s
C
1 2 3
r
n
In der Abbildung ist n = 13 und m = 7. Der
eingezeichnete Weg entspricht der 13-Teilmenge
{1, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 18, 19},
n+m
n+m
G Z(n + m, n) =
=
n
m
die aus einer Urne mit n + m = 20 Kugeln ohne
Zurücklegen gezogen wurde. In diesem Beispiel
gibt es
20
20
=
= 77520
7
13
Die Zahl aller Wege von A nach B, die durch den
Punkt C(r|s) gehen, ist das Produkt der Zahl der
Wege von A nach C mit der Zahl der Wege von
C nach B:
r+s
n+m−s−r
NACB =
·
r
n−r
verschiedene Wege.
Urne mit S schwarzen und N − S weißen Kugeln:
S−k
N −S
Aus einer Urne mit S schwarzen und N − S weißen Kugeln werden n Kugeln ohne Zurücklegen
gezogen, k ist die Zahl der gezogenen schwarzen
Kugeln. Mit den Abbildungen rechts und den Ersetzungen n → S, m → N − S, r → k, s →
n − k folgt aus den beiden letzten Formeln für die
Wahrscheinlichkeit, k schwarze Kugeln zu ziehen:
n
N −n
·
k
S−k
P (X = k) =
N
S
B
n
N +k−n−S
n−k
A
C
k
n
S
Nebenstehende Formel für P (X = k) lässt sich
(Aufgabe!) in die Formel auf der nächsten Seite
umformen!
166
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Urne mit Kugeln zweier Farben
Als Beispiel betrachten wir das Lottospiel 6 aus
”
49“.
Die gezogenen Zahlen werden durch die schwarzen Kugeln dargestellt. Mit N = 49, S = 6 und
n = 6 folgt für die Zahl k der Richtigen“:
”
6
43
·
k
6−k
P (k) = P (X = k) =
49
6
Eine Urne enthalte N Kugeln, davon S schwarze und N − S weiße. Mit einem Griff werden n
Kugeln gezogen. Mit k bezeichnen wir die Anzahl
der dabei gezogenen schwarzen Kugeln.
Um einen Ergebnisraum Ω mit Laplaceschem
Wahrscheinlichkeitsmaß (jedes Ergebnis hat die
gleiche Wahrscheinlichkeit) zu erhalten, denken
wir uns die Kugeln von 1 bis N durchnummeriert. Als Ergebnisse wählen wir die n-Teilmengen
von Z = {1, 2, ..., N }, d.h. das Modell G Z. Die
Mächtigkeit von Ω ist also
N
|Ω| =
n
k
0
1
2
3
4
5
6
Die Zufallsgröße X ordnet jedem Ergebnis die
Zahl k der gezogenen schwarzen Kugeln zu:
X: ω → k
P (X = k)
4,359649755 · 10−1
4,130194505 · 10−1
1,32378029 · 10−1
1,765040387 · 10−2
9,686197244 · 10−4
1,844989951 · 10−5
7,151123842 · 10−8
Die Wahrscheinlichkeit für mindestens drei Richtige ist
Um eine Wahrscheinlichkeitsverteilung von X zu
finden brauchen wir die Zahl z aller n-Teilmengen
von Z mit genau k schwarzen Kugeln. Ein solches
ω ist also eine Teilmenge von Z mit k schwarzen
und n − k weißen Kugeln. Es gibt Sk Möglichkeiten, aus den vorhandenen S schwarzen
Kugeln
−S
genau k auszuwählen und Nn−k
Möglichkeiten,
aus den vorhandenen N − S weißen Kugeln genau
n − k auszuwählen, d.h.
S
N −S
z=
·
k
n−k
P (X ≧ 3) = P (X = 3) + ... + P (X = 6) = 1,86%
Die Wahrscheinlichkeit für eine Niete (weniger als
drei Richtige) ist
P (X < 3) = 1 − P (X ≧ 3) = 98,14%
Drei, vier und fünf Richtige gibt es mit Zusatzzahl. Die Zusatzzahl wird als siebte Zahl gezogen.
Ist r die Zahl der Richtigen und eine der verbleibenden 6 − r angekreuzten Zahlen die Zusatzzahl,
dann hat man r Richtige mit Zusatzzahl“.
”
Die Wahrscheinlichkeit, bei r Richtigen auch die
Zusatzzahl getroffen zu haben, erhält man aus nebenstehender Formel mit N = 43 (noch in der
Trommel), S = 1, n = 6 − r und k = 1:
1
42
·
6−r
1
5−r
=
PZ (r) =
43
43
6−r
Zieht man aus einer Urne mit S schwarzen und
N − S weißen Kugeln mit einem Griff (ohne
Zurücklegen) n Kugeln, dann ist die Wahrscheinlichkeit, genau k schwarze Kugeln zu ziehen
S
N −S
·
z
k
n−k
=
P (X = k) =
N
|Ω|
n
Für N und S sehr groß gegen n (N ≫ n, S ≫ n)
ist die Wahrscheinlichkeit für das Ziehen einer
S
schwarzen Kugel näherungsweise immer p = N
und P (X = k) ist damit in guter Näherung durch
die Binomialverteilung (siehe S.169) gegeben.
Dieses Ergebnis stimmt mit der einfacheren Überlegung überein, dass jede der verbleibenden 6 − r
1
angekreuzten Zahlen die Wahrscheinlichkeit 43
hat, die Zusatzzahl zu sein.
Die Wahrscheinlichkeit für einen Dreier mit Zu”
satzzahl“ ist z.B.
6
43
·
205
3
3
3
=
P (3) · PZ (3) =
·
49
43
166 474
6
Beispiel: Mit N = 5 · 107 Wahlberechtigten und
S = 2 · 107 Wählern von Partei A ist bei einer Befragung von n = 100 zufällig ausgesuchten Wahlberechtigten bei jedem die Wahrscheinlichkeit,
S
= 40 %
dass er Wähler von A ist, durch p ≈ N
gegeben. Beim hundertsten Befragten wäre exakt
7
−99
= 39,9998 %.
p = 2·10
5·107
167
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Binomialverteilung
Bernoulli-Experimente
Beispiel: Biathlet mi Trefferwahrscheinlichkeit
80% im stehenden Anschlag, Serie mit fünf
Schuss:
Ein Zufallsexperiment mit dem Ergebnisraum
Ω0 = {0, 1} und der Trefferwahrscheinlichkeit“
”
P (1) = p heißt Bernoulli-Experiment mit dem
Parameter p. Die Wahrscheinlichkeit einer Nie”
te“ ist
P (0) = q = 1 − p
p = 0,8,
q = 0,2,
n=5
Die Wahrscheinlichkeit der Serie 10110 ist
P (10110) = p3 q 2 = 2,048%
Eine Serie von n Bernoulli-Experimenten mit dem
gleichen Parameter p heißt eine Bernoullikette der
Länge n (BKnp ). Der Ergebnisraum einer Bernoullikette ist
Die Menge aller Serien mit genau drei Treffern ist
A3 = {11100, 11010, 11001, 10110, 10101,
n
10011, 01110, 01101, 01011, 00111}
Ω = {0, 1} = {(a1 | . . . |an ) ai ∈ Ω0 },
mit
ein Element ω von Ω ist ein n-Tupel, das aus Nullen und Einsen besteht. Die Wahrscheinlichkeit
für das Auftreten einer Serie mit k Einsen und
n − k Nullen ist (Baumdiagramm!)
5
|A3 | =
= 10
3
Die Wahrscheinlichkeit für genau drei Treffer in
einer Serie ist
5
B(5; 0,8; 3) =
· 0,83 · 0,22 = 20,48%
3
P ({ω}) = pk · q n−k für 0 < p < 1
Eine Bernoullikette der Länge n enthält nk verschiedene Elemente mit genau k Einsen (siehe
S.164). Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten
des Ereignisses Ak = genau k Treffer“ ist also
”
 n k
n−k

für 0 < p < 1

k p ·q




1
für
p = 0, k = 0

B(n, p, k) = 1
für p = 1, k = n



0
für p = 0, k 6= 0



0
für p = 1, k 6= n
Die Wahrscheinlichkeit für genau k Treffer in einer Serie ist
5
B(5; 0,8; k) =
· 0,8k · 0,25−k
k
0
k
1
2
3
4
5
B(5; 0,8; k)
0,032 0,64 5,12 20,48 40,96 32,768
in %
µ
B
0,5
Die Zufallsgröße X, die jedem ω einer Bernoullikette BKnp die Zahl der Treffer zuordnet, hat die
Wertemenge
σ
σ
0,4
0,3
0,2
WX = {0, 1, 2, . . . , n}
0,1
und die Wahrscheinlichkeitsverteilung
0,0
0
1
W (k) = P (X = k) = B(n, p, k)
Eine beliebige Zufallsgröße X mit der
Wertemenge
2
3
4
5
k
(Berechnung von µ und σ auf den nächsten Seiten.)
WX = {0, 1, 2, . . . , n}
Mit der allgemeinen binomische Formel (siehe
S.164) folgt
und der Wahrscheinlichkeitsverteilung
W (k) = P (X = k) = B(n, p, k)
n
X
heißt binomial nach B(n, p) verteilt.
k=0
W (k) =
n
X
k=0
wie es sein muss.
168
B(n, p, k) = (p + q)n = 1,
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Die Binomialverteilung
Die Verteilungsfunktion B(n, p, k) heißt Binomialverteilung.
Symmetriegesetz der Binomialverteilung:
B
B(n, p, k) = B(n, q, n − k)
In Worten: Die Wahrscheinlichkeit für genau k
Treffer ist gleich der Wahrscheinlichkeit für genau
n − k Nieten.
Aus
B(n, p, k + 1) =
km
X
(n + 1)p − 1
(n − k)p
· B(n, p, k)
(k + 1)q
(n + 1)p
B
folgt
B(n, p, k) < B(n, p, k + 1) ⇐⇒
⇐⇒
(n − k)p
<1
(k + 1)q
k < (n + 1)p − 1
X
km − 1
B(n, p, k) ist maximal für k = km , wobei km die
größte ganze Zahl kleiner oder gleich (n + 1) · p
ist:
km = ⌊(n + 1)p⌋
km = (n + 1)p
Die Gaußklammer (auch Abrundungs-, Ganzzahloder Entier-Funktion) ist definiert durch
Wenn (n + 1)p ∈ N gilt, dann wird das Maximum von B(n, p, k) bei den beiden Werten km
und km − 1 angenommen.
⌊x⌋ = größte ganze Zahl ≦ x
Beispiele: ⌊3,9⌋ = 3, ⌊−3,9⌋ = −4, ⌊3⌋ = 3
Der Erwartungswert einer binomial verteilten Größe
n k n−k
Wegen xk = k und W (xk ) =
p q
gilt
k
Ein Trick aus der Analysis:
Wegen
n X
n k
p (1 − p)n−k = 1
k
k=0
n
X
n k
µ = E(X) =
k·
p (1 − p)n−k
k
folgt
n d X n k
p (1 − p)n−k = 0
dp
k
k=0
k=0
Mit dem Trick aus der Analysis (siehe rechts)
folgt
Mit der Summen- und Produktregel für Ableitungen folgt
n X
n
Eine nach B(n, p) verteilte Zufallsgröße
X hat den Erwartungswert
k=0
µ = E(X) = np
Maximum von B(n, p, k) bei
km = ⌊µ + p⌋
k
kpk−1 (1 − p)n−k − (n − k)pk (1 − p)n−k−1 = 0
k
n
pk (1 − p)n−k = 0
+
−
p 1−p 1−p
k
k=0
n
n 1 1 X
n k n−k n X n k n−k
+
k·
p q
p q
=0
−
p q
q
k
k
k=0
k=0
|
|
{z
}
{z
}
n X
n
k
µ
Beispiel: Unser Biathlet (siehe Seite vorher) mit
p = 0,8 und n = 5 wird pro Serie im Mittel
µ=
q
µ = np = 5 · 0,8 = 4
Treffer erzielen. km = ⌊4,8⌋ = 4
169
n
1
p
+
1
q
=
1
n
= np
+1
1−p
p
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Varianz einer binomial verteilten Größe
Für eine beliebige Zufallsfunktion X gilt:
Für die Binomialverteilung gilt:
E(X 2 ) =
n
X
k=0
Var(X) =
2 n
pk (1 − p)n−k
xk
k
n
X
(µ − xk )2 W (xk ) =
k=0
=
n
X
(µ2 − 2µxk + x2k )2 W (xk ) =
k=0
Zur Berechnung von E(X 2 ) verwendet man einen
ähnlichen Trick wie bei der Berechnung von
E(X), allerdings mit einem erheblich größeren
Rechenaufwand. Man beginnt mit
= µ2
n
X
W (xk ) − 2µ
k=0
n
X
+
n d2 X n k
p (1 − p)n−k = 0
dp2
k
n
X
xk W (xk )+
k=0
x2k W (xk ) =
k=0
k=0
2
= −µ +
und erhält nach viel Rechnung
E(X 2 ) = npq + n2 p2
n
X
k=0
x2k W (xk ) = E(X 2 ) − E(X)2
VarX = E(X 2 ) − E(X)2
E(X 2 ): Erwartungswert des Quadrates von X
E(X)2 : Quadrat des Erwartungswertes von X
Mit nebenstehender Formel folgt
VarX = npq + n2 p2 − (np)2 = npq
Eine nach B(n, p) verteilte Zufallsgröße
X hat die Varianz
Beispiel: n = 10, p = 0,6
=⇒
q = 0,4
µ = E(X) = np = 6, VarX = npq = 2,4
√
σ = VarX ≈ 1,55
Var(X) = npq = np(1 − p)
µ
B
0,3
und die Standardabweichung
p
√
σ = npq = np(1 − p)
σ
0,2
σ
B(10; 0,6, k)
0,1
Die kumulative Verteilungsfunktion
Die Wahrscheinlichkeit für höchstens k Tref”
fer“ ist durch die kumulative Verteilungsfunktion
Fpn (k) gegeben (zunächst für k ∈ N0 , 0 ≦ k ≦ n):
Fpn (k) = P (X ≦ k) =
k
X
0,0
n
X
F1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
B(n, p, i) = 1
n
X
B(n, p, i) =
= Fpn (n) − Fpn (a − 1) = 1 − Fpn (a − 1)
P (mindestens a und höchstens b Treffer) =
=
i=a
B(n, p, i) =
Fpn (b)
3
4
5
6
7
8
9
10
k
= 77,2%
i=a
b
X
2
B(n, p, i)
i=0
P (mindestens a Treffer) =
1
P (µ − σ ≦ X ≦ µ + σ) = F (µ + σ) − F (µ − σ) =
i=0
Fpn (n) =
0
−
Fpn (a
10
F0,6
(k)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
k
Zum Ablesen der Tabellenwerte ist folgende
Beziehung nützlich:
− 1)
n
Fpn (k) = 1 − F1−p
(n − k − 1)
170
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
n
Wegen
= 0 für k > n gilt für k > n:
k
Fpn (k) =
k
X
Beispiele
Beispiel: X ist binomial nach B(4; 0,3) verteilt.
4
B(4; 0,3; x) F0,3
(x)
x
<0
nicht def.
0
0,2401
0,2401
0
0,999
nicht def.
0,2401
0,4116
0,6517
1
1 < x < 2 nicht def.
0,6517
2
0,2646
0,9163
3
0,0756
0,9919
4
0,0081
1
>4
nicht def.
1
B(n, p, i) =
i=0
=
n
X
i=0
|
B(n, p, i) +
{z
Fpn (k) =
k
X
B(n, p, i) = 1
i=n+1
}
1
k
X
|
{z
}
0
B(n, p, i) = 1 für k ≧ n
i=0
B(4; 0,3; k)
0,2
0,1
0,0
0,0
P (X ≦ x) = P (X ≦ ⌊x⌋)
1
2
Fpn (x)
k
1
für x ≧ 0
B(4; 0,3; 2)
für x < 0
0,5
=
4
4
F0,3
i=0
0
3
Die linken Randpunkte der Treppenstufen“
” 4
gehören zum Funktionsgrafen von F0,3
(x).
(siehe Gaussklammer, S.169). Es folgt:




σ
0,3
ist für beliebige x ∈ R definiert. Da die Trefferzahl nicht kleiner als null sein kann, ist Fpn (x) = 0
für x < 0. Da die Trefferzahl X natürlich ganzzahlig ist, ist
 ⌊x⌋
X




B(n, p, i)
σ
0,4
Fpn (x) = P (X ≦ x)
Fpn (x) =
µ
B
Die Funktion
B(4; 0,3; 1)
Fpn (⌊x⌋)
Für a ∈ R und b ∈ R gilt:
P (X ≦ b) = Fpn (b)
(
Fpn (b)
P (X < b) =
Fpn (b − 1)
B(4; 0,3; 0)
0
für b ∈
/Z
für b ∈ Z
P (X ≧ a) = 1 − P (x < a) =
(
1 − Fpn (a)
=
1 − Fpn (a − 1)
1
2
3
x
4
Für die folgenden Beispiele gilt abkürzend:
4
B(k) = B(4; 0,3; k) und F (x) = F0,3
(x) :
für a ∈
/Z
für a ∈ Z
P (X ≦ 2,3) = P (X ≦ 2) = F (2) =
P (X > a) = 1 − P (X ≦ a) = 1 − Fpn (a)
P (X < 2) = F (1) =
P (a < X ≦ b) = Fpn (b) − Fpn (a)
1
X
2
X
B(i)
i=0
B(i)
i=0
P (X ≧ 2) = 1 − P (X < 2) = 1 − F (1) =
P (1 ≦ X ≦ 3) = F (3) − F (0) =
P (1 < X ≦ 3) = F (3) − F (1) =
P (1 < X < 3) = F (2) − F (1) =
171
3
X
i=1
3
X
i=2
2
X
i=2
4
X
B(i)
i=2
B(i)
B(i)
B(i) = B(2)
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Weitere Eigenschaften der Binomialverteilung
Wir betrachten ein Gas aus n Molekülen in einem
quaderförmigen Raum. X ist die Zahl der Teilchen in der linken Raumhälfte. Die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen in der linken Raumhälfte anzutreffen, ist p = 21 , X ist also binomial nach
B(n, 21 ) verteilt.
Für die Binomialverteilung B(n, p, k) gibt es eine gute Näherung, die um so besser ist, je größer
√
σ = npq ist. Brauchbar ist die Näherung ungefähr für σ > 3:
Mit µ = np und σ =
p
np(1 − p) gilt
µ = np =
B(n, p, k) ≈ N (n, p, k)
N (n, p, k) =
und
1
·ϕ
σ
k−µ
σ
σ=
B
x2
e− 2
σ
µ
0,2
0 0
1
2
oder zusammengefasst:
B(n, p, k) ≈
1
√ ·e
σ 2π
− 12
k−µ
σ
2
N (n, p, k) heißt Normalverteilung.
Mit Hilfe der Normalverteilung kann man zeigen:
Für eine nach B(n, p) verteilte Zufallsgröße X mit dem Erwartungswert
P (µ − σ ≦X ≦ µ + σ)
√1
10
B
0,09
0,07
0,05
0,03
0,01
0 0 10
µ
σσ
5
k
≈ 0,32
10
20
n = 50, s =
30
40
√1
100
k
= 0,1
µ
B
0,02
0,01
30
50
70
90
00
k
300 500 700 900
k
n = 1000, s ≈ 0,02
Mit 99,7%-iger Wahrscheinlichkeit liegt X im Intervall
hn
i n 3√n n 3√n n
I=
− ∆X, + ∆X =
−
, +
2
2
2
2 2
2
und der Standardabweichung
p
√
σ = npq = np(1 − p)
für
n = 5, s =
4
n = 100, s ≈ 0,07
µ = np
gilt näherungsweise
großes n (σ > 3):
3
µ
σσ
B
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
00
σ
0,1
√
n
2
1
s= √
2n
0,3
1
ϕ(x) = √
2π
√
npq =
Die relative Breite der Verteilung ist
mit
n
,
2
Die maximale relative Abweichung von µ ist
genügend
√
3
∆X
= √ = 3s 2
µ
n
≈ 68,3%
P (µ − 2σ ≦X ≦ µ + 2σ) ≈ 95,4%
P (µ − 3σ ≦X ≦ µ + 3σ) ≈ 99,7%
n
I
∆X
µ
102
[35, 65]
0,3
[4850, 5150]
0,03
4
10
10
26
10
3 · 10−5
[4999850000, 5000150000]
10
Die Breite 2σ des Intervalls [µ − σ, µ + σ] nennen
wir Breite der Binomialverteilung“ und
”
r
2σ
2p(1 − p)
s=
=
n
n
25
5 · 10
−13
− 3 · 10
25
, 5 · 10
−13
+ 3 · 10
3 · 10−13
4 m3 Luft enthalten ungefähr n = 1026 Moleküle.
Da die Gasdichte ̺ in der linken Raumhälfte proportional zur Teilchenzahl X ist, gilt mit 99,7%iger Wahrscheinlichkeit
relative Breite oder Schlankheit der Verteilung.
Die Binomialverteilung wird mit wachsendem n
also immer schlanker.
∆̺
∆X
=
= 3 · 10−13
̺
µ
Die Dichteschwankungen sind also praktisch nicht
beobachtbar.
172
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Testen von Hypothesen
Hypothesen und Fehler
Beispiel:
Mit einem Test entscheidet man, ob eine Annahme H0 über die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses A, die sogenannte Nullhypothese, gerechtfertigt ist oder nicht. Das Gegenteil der Nullhypothese ist die Gegenhypothese H1 .
Hypothesen sind Mengen von Wahrscheinlichkeiten. H = H0 ∪H1 ⊂ [0, 1] heißt zulässige Hypothese des Tests. Die Bedingungen des Tests können
einschränkend auf H wirken, d.h. H muss nicht
gleich der maximal möglichen zulässigen Hypothese [0, 1] sein.
Eine Hypothese heißt einfach, wenn ihre Mächtigkeit eins ist (sie enthält nur eine Wahrscheinlichkeit), anderenfalls heißt sie zusammengesetzt.
Der eigentliche Testvorgang ist das n-malige
Ausführen des Zufallsexperiments (Ziehung einer
Stichprobe der Länge n), die Zahl Z (Testgröße)
gibt an, wie oft das Ereignis A eingetreten ist.
Zur Auswertung des Tests braucht man noch eine Entscheidungsregel, nach der man die Nullhypothese in Abhängigkeit von Z annimmt oder
verwirft. Da sicher 0 ≦ Z ≦ n gilt, wählt man ein
K ⊂ Ωn = {0, 1, . . . , n} zur Formulierung der
Entscheidungsregel (K heißt kritischer Bereich):
Anhand der Sechserwahrscheinlichkeit p soll getestet werden, ob ein Würfel ein Laplacewürfel ist:
H0 : p = 61 oder H0 = 61 , H = [0, 1]
H1 : p 6= 61 oder H1 = 0, 61 ∪ 16 , 1 = H \ 61
Wir ziehen eine Sichprobe der Länge n = 30 (30
mal Würfeln), Z ist die Zahl der Sechsen. Wenn
H0 zutrifft, ist E(Z) = np = 5. Als Entscheidungsregel wählen wir mit Ω30 = {0, 1, . . . , 30}
Z ∈ K = Ωn \K :
Z∈K:
Z ∈ K = {4, 5, 6} =⇒ Entscheidung für H0
Z ∈ K = Ω30 \ K =⇒ Entscheidung für H1
Die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 1. Art
(p = 16 , aber Z ∈ K) ist
α′ = F 130 (3) + 1 − F 130 (6) = 46,3%
6
Die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler 2. Art
(p 6= 61 , aber Z ∈ K) ist von p abhängig:
β ′ (p) = Fp30 (6) − Fp30 (3) =
= B(30, p, 4) + B(30, p, 5) + B(30, p, 6)
p
0,164
0,165
0,166
H0 wird angenommen
H1 wird angenommen
(H0 abgelehnt)
1
6
Bei der Auswertung des Tests kann man folgende
Fehler begehen:
Fehler 1. Art
:
Fehler 2. Art
:
6
β′
0,53704
0,53708
0,53701
0,53692
β′
0,5
0,3
00
H0 trifft zu,
aber Entscheidung für H1
H1 trifft zu,
aber Entscheidung für H0
1
6
0,3
0,5
1
p
Der Wertetabelle und dem Grafen entnimmt man,
dass β ′ (p) in der Nähe von p0 = 16 maximal ist:
′
βmax
≈ β ′ (p0 ) = 1 − α′ = 53,7%
Die Wahrscheinlichkeit, einen Fehler 1. Art zu begehen sei α′ , die für einen Fehler 2. Art β ′ . Die
Sicherheit, sich bei Zutreffen von H0 auch wirklich für H0 zu entscheiden, ist 1 − α′ , die richtige
Entscheidung für H1 hat die Sicherheit 1 − β ′ .
Bei einem Test mit einfacher Nullhypothese H0
und zulässiger Hypothese H = [0, 1] gilt
′
α′ + βmax
≈1
Bei diesem Test können nicht beide Fehler α′ und
′
βmax
klein gehalten werden.
Veränderung der Testgrößen (K = {k1 , . . . , k2 }):
H0 trifft zu
Entscheidung für H0 (Z ∈ K) H1 (Z ∈ K)
Wahrscheinlichkeit
1 − α′
α′
Urteil
richtig
Fehler 1. Art
′
n k1 k2
α′
βmax
200 32 34 77,6% 22,4%
200 30 36 50,6% 49,4%
200 23 43 4,6% 95,4%
H1 trifft zu
Entscheidung für
H0 (Z ∈ K) H1 (Z ∈ K)
Wahrscheinlichkeit
β′
1 − β′
Urteil
Fehler 2. Art
richtig
173
Beim Test der letzten Zeile (k1 = 23) kann man
H0 mit einer 1−α′ = 95,4%-igen Sicherheit ablehnen, wenn Z ∈ K. Für Z ∈ K kann man sich aber
kaum für H0 entscheiden, da 95,4% der falschen
Würfel ein Z ∈ K liefern.
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Klassifizierung von Tests
Kontinuierliche Hypothesen:
Nebenstehende Tests heißen einseitige oder zweiseitige Signifikanztests. Geht H0 nahtlos in H1
über (keine Lücke) wie in nebenstehenden Tests,
dann gilt (siehe Beispiel auf S.173):
H0
H0
H0
H0
H0
′
α′max + βmax
≈ 1,
Z∈K
H1
H1
H1
H1
H1
= [0, p0 [∪]p0 , 1]
= [0, p0 [
=]p0 , 1]
= [0, p0 [
=]p0 , 1]
:
:
:
:
:
zweiseitig
einseitig
einseitig
einseitig
einseitig
Diskrete Hypothesen (z.B. bei Urnenexperimenten):
d.h. es kann nur einer der beiden Fehler klein gehalten werden. Der Test wird nun so gestaltet,
dass der Fehler 1. Art (α′ ) bei genügend großer
Stichprobenlänge n klein werden kann. Oft gibt
man eine obere Schranke α für α′ vor, das sogenannte Signifikanzniveau. Ist α′ ≦ α, dann wird
der Ausgang des Tests folgendermaßen angegeben:
Z∈K
= {p0 },
= {p0 },
= {p0 },
= [p0 , 1],
= [0, p0 ],
H0 = {p01 , . . . , p0r },
H1 = {p11 , . . . , p1s }
Besteht eine Lücke der Breite ∆p > 0 zwischen
H0 und H1 (z.B. bei diskreten Hypothesen oder
einfach durch die äußeren Bedingungen vorgege′
ben), dann können α′max und βmax
durch eine
genügend lange Stichprobe (genügend großes n)
beide klein gehalten werden. In diese Fall spricht
man von einem Alternativtest.
Ein einfacher Alternativtest hat die Hypothesen
: Ablehnung von H0 auf dem
Signifikanzniveau α
: H0 kann nicht abgelehnt werden.
H0 = {p0 } und H1 = {p1 }
Dieser Test ist einfach zu behandeln, kommt aber
in der Praxis nur selten vor.
H0 = {p0 } oder H0 = [0, p0 ]
H1 =]p0 , 1]
linksseitiger Test:
H0 = {p0 } oder H0 = [p0 , 1]
H1 = [0, p0 [
Wir betrachten die Fehler erster und zweiter Art
beim rechtsseitigen Test mit H0 = [0, p0 ]:
Der einseitige Signifikanztest
rechtsseitiger Test:
Den einseitigen Signifikanztest behandeln wir am
Beispiel der Hypothesen H0 = {p0 } und H1 =
]p0 , 1]. Es soll ein Test auf dem Niveau α konstruiert werden. Gesucht sind also der Annahmebereich K und der kritische Bereich (Ablehnungsbereich) K für die Nullhypothese:
K = {0, 1, . . . , k},
α′ (p) = 1 − Fpn (k),
′
K = {k + 1, . . . , n}
β (p) =
Zur Berechnung von α′ nimmt man an, dass H0
zutrifft, also p = p0 :
Fpn (k),
Dα′ = [0, p0 ]
Dβ ′ =]p0 , 1]
β′
α′ = PH0 (K) = P (Z > k) = 1 − Fpn0 (k)
n = 30, p0 =
1
6,
0,5
In den stochastischen Tabellen sucht man nach
Werten von n und k, für die
β′
α′
α′ = 1 − Fpn0 (k) < α
0
0
p0
0,5
p
ist. Wird statt H0 = {p0 } die Nullhypothese
H0 = [0, p0 ]
α′ ist monoton steigend, β ′ ist monoton fallend,
woraus unter Beachtung der Definitionsmengen
folgt:
verwendet, hängt α′ von p ab, ist aber für p = p0
maximal (siehe rechts):
α′max = α′ (p0 ) = 1 − Fpn0 (k)
α′max = α′ (p0 )
′
βmax
= β ′ (p0 ) = Fpn0 (k)
Die letzte Gleichung geht dann in
α′max
=1−
Fpn0 (k)
k=7
′
α′max + βmax
=1
<α
über.
174
Grundwissen Mathematik – Jahrgangsstufe 12
Definitionen und Regeln
Beispiele
Beispiel:
Test von Wünschelrutengängern:
Ein Würfel soll auf dem Signifikanzniveau α = 5%
daraufhin getestet werden, ob seine Sechserwahrscheinlichkeit zu groß ist:
1
1
H0 = 0, , H1 =
,1
6
6
Unter einer von zehn Stellen wird zufällig Wasser
plaziert, die zufällige Trefferwahrscheinlichkeit ist
also p0 = 0,1. Mit einem Rutengänger werden 200
Versuche angestellt.
Die Skeptiker erstellen den
Test 1: H01 = [0, p0 ] (Alles nur Zufall), α = 1%
Wir ziehen eine Stichprobe der Länge n = 200:
K 1 = {0, . . . , k1 }, K1 = {k1 + 1, . . . , n}
α′max = 1 − F 1200 (k) ≦ 0,05
α′1,max ≦ 0,01
6
F 1200 (k) ≧ 0,95
=⇒
200
F0,1
(k1 ) ≧ 0,99
Tabelle =⇒ k1 = 30
6
Tabelle =⇒ k = 42
Von der Liga der Rutengänger stammt der
Z ∈ K = {0, . . . , 42}: H0 kann nicht
abgelehnt werden
Test 2: H02 = [p0 , 1] (begabt!), α = 1%
K2 = {0, . . . , k2 }, K 2 = {k2 + 1, . . . , n}
Z ∈ K = {43, . . . , 200}: Entscheidung für H1
200
α′2,max = F0,1
(k2 ) ≦ 0,01
′
βmax
= F 1200 (42) = 95,565%
Tabelle =⇒ k2 = 10
′
α′max = 1 − βmax
= 4,435%
Zusammenfassung der beiden Tests:
6
Ist Z die Trefferzahl, dann kann nach 200 Versuchen mit 99%-iger Sicherheit behauptet werden,
dass der Proband
µ
B
0,09
σ
σ
B(200,
0,05
0,03
0
16 20
42
30
50
Für 11 ≦ Z ≦ 29 ist auf dem geforderten Signifikanzniveau keine Aussage über die Fähigkeiten
des Kandidaten möglich.
Z
Die Liga der Rutengänger möchte wissen, wie
groß die Trefferwahrscheinlichkeit p eines Kandidaten mindestens sein muss, damit er mit mindestens 90%-iger Wahrscheinlichkeit beim Test 1
als begabt erkannt wird:
Mit welcher Wahrscheinlichkeit pf wird ein
Falschspielerwürfel mit p = 25% von unserem
Test entdeckt?
pf ist die Wahrscheinlichkeit, dass für p = 0,25
die Zahl Z der gewürfelten Sechser in K liegt:
1 − Fp200 (29) ≧ 0,9
p
0,15
σ
1
6
0,20
0,05
Fp200 (29) ≦ 0,1
F
µ
σ
=⇒
Die Tabelle liefert die Werte
200
pf = 1 − F0,25
(42) = 89,1%
B
für Z ≦ 10
für Z ≧ 30.
total unbegabt ist
sehr begabt ist
1
6 , Z)
B(200,
Fp200 (29)
0,4697
0,2366
0,02828
Fp200 (29)
0,5
0,1
00
1
4 , Z)
0,04 0,08 0,12
0,03
Dem Grafen entnimmt man p ' 0,18.
0
25 30
50
70
Z
175
1
6
0,2
p
Index
Potenzfunktion, 114
Produktregel, 112
Quotientenregel, 112
Summenregel, 110
Winkelfunktionen, 111
Ableitungsfunktion, 109
Ableitungsregeln, 110, 114
absolute Häufigkeit, 54
Abstand
Punkt–Ebene, 78, 157
Punkt–Gerade, 34, 160
windschiefer Geraden, 161
Abstandsfunktion, 157
Abszisse, 10, 108
Abszissenachse, 38
Abwicklung, 81
Abzählen von Möglichkeiten, 7
Achsenspiegelung, 35
Achsensymmetrie, 35
Addition, 4
Additionsverfahren, 46
analytische Geometrie, 132
Anfangsbedingung, 148
Anfangswertproblem, 148
Ankathete, 76
Ar, 10
Archimedes, 83
arithmetisches Mittel, 26
Assoziativgesetz, 5, 7, 22, 134
Asymptote, 102
schräge, 107
senkrechte, 106
waagrechte, 106
Ausklammern, 23
Ausmultiplizieren, 23
Aussage, 74
Aussagen, 24
Aussagesatz, 24
Außenwinkel, 32
Axiom
von Kolmogorow, 143
Axiome, Kongruenz-, 29
$, 8
⇐⇒, 24
=⇒, 24
Z, 7
∩, 3
∼
=, 29
∪, 3
∅, { }, 3
∈, 38
N, 3
N0 , 3
Q, 11, 61
Q2 , 38
R, 62
Z, 3
Z− , 3
\, 3
e, 120
π, 82
∼, 60
⊂, 3
△, 29
µ, 8
µg, 9
µm, 8
µs, 8
k(M, r), 43
Ähnlichkeit, 60
Ähnlichkeitssätze, 60
Änderung der Funktionswerte, 40
Änderungsrate, 151
mittlere, 108
momentane, 109
Äquivalenzumformungen
von Gleichungen, 25
von Termen, 22
von Ungleichungen, 44
Öffnungswinkel, 43
äquivalent, 25, 44
äquivalente Terme, 22
Ableitung, 109
loga x, 127
ax , 127
xx , 127
der Umkehrfunktion, 124
Faktorregel, 110
höhere, 115
in der Physik, 115
Kettenregel, 113
Näherungen, 117
Basis, 4
Basiseinheitsvektoren, 136
Basiswinkel, 33
Baumdiagramm, 52, 72, 89
Bedingung
hinreichende, 129
notwendige, 129
Behauptung, 74
176
Index
Bernoulli-Experiment, 168
Bernoullikette, 168
Betrag, 7, 100
Betragsfunktion, 147
Bewegung, 42
Billiarde, 4
Billion, 4
Binom, 23
Binomialkoeffizienten, 164
Binomialverteilung, 169
relative Breite, 172
Sigmaregeln, 172
binomische Formel, 23, 61, 164
Bogenlänge, 28, 43, 84
Bogenmaß, 84
Brüche, 11
addieren und subtrahieren, 13
dividieren, 14
echte, 14
erweitern, 12
gleichnamigmachen, 12
Grundform, 16
kürzen, 12
multiplizieren, 13
unechte, 14
vergleichen, 12
Breitengrad, 140
Bruchgleichungen, 50
Bruchteile, 11
Bruchterm, 47
Definitionsmenge, 47
Bruchterme, 48
direkt proportional, 42
direkte Proportionalität, 42
disjunkt, 141
Distributivgeset, 7
Distributivgesetz, 5, 23
divergent, 102
Dividend, 4
Division, 4, 22
Divisor, 4
Doppelbrüche, 15, 48
Doppelkreuzung, 31
dreidimensional, 9
Dreieck, 9
Flächeninhalt, 139
gleichschenkliges, 33, 75
gleichseitiges, 33, 75
Grundlinie, 59
Lagebeziehungen, 34
Mittellinie, 59
Schwerpunkt, 59
Seitenhalbierende, 59
Winkelsumme, 32
Dreiecke
kongruente, 29
Dualsystem, 8
Durchmesser, 43
Durchnittsmenge, 3
Durchschnitt, 26
Ebene, 78, 132, 139
Achsenabschnittsform, 156
Hesseform, 157
Normalenform, 155
Parameterform, 155
echte Brüche, 14
eindeutig, 38
eindimensional, 9
Einheiten
a (Ar), 10
cl, 19
cm3 , 19
der Länge, 8
der Masse, 9
der Zeit, 8
ha (Hektar), 10
hl, 19
km2 , 10
m2 , 10
m3 , 19
ml, 19
Einheitskreis, 28
Einheitsvektor, 136
Einsetzverfahren, 46
Einstein, 63
Elementarereignis, 52
Elemente, 3
Entfernung, 75
Ereignis, 52, 141
Elementar-, 141
sicheres, 53, 141
Cavalieri, 85
Cavalieri, Prinzip von, 79
de l’Hospital, 126
deckungsgleich, 29
Definitionsmenge, 38
Definitionsmenge eines Bruchterms, 21, 47
Dezi, 8
Dezimalbrüche, 15
addieren und subtrahieren, 15
dividieren, 16
multiplizieren, 15
periodische, 16
Dezimalsystem, 4
Diagonale
im Quader, 75
im Quadrat, 75
im Rechteck, 75
Differentialgleichung, 127
Differentialquotient, 109
Differenz, 4
Differenzenquotient, 108
linksseitiger, 117
rechtsseitiger, 117
differenzierbar, 109, 115
Differenzierbarkeit, 115
Differenzieren
logarithmisches, 125
177
Index
Gegenvektor, 136
gemeinsamer Nenner, 12
gemischte Zahlen, 14
Geometrie
analytische, 132
geometrische Figuren, 9
Gerade, 9, 27, 154
durch zwei Punkte, 40
Geraden
parallele, 31, 154
windschiefe, 154
Geradengleichung, 154
Geschwindigkeit, 42
ggT, 6
Giga, 8
gleichnamig, 12, 48
Gleichnamigmachen, 12, 48
Gleichsetzungsverfahren, 45
Gleichung, 24
Exponential-, 93
lineare, 25
Logarithmus-, 93
mit zwei Unbekannten, 44
quadratische, 67
Wurzel-, 68
Gleichungssysteme, 44, 45
Größen, 8
Grad, 95
Gradmaß, 84
Graf, 38
Grenzwert, 95, 101
x → ∞, 101
x → x0 , 105
de l’Hospital, 126
Exponentialfunktion, 104, 121
mit Tendenz, 103
Rechenregeln, 102
griechische Buchstaben, 28
Großkreis, 85
Grundform, eines Bruches, 13
Grundmenge, 20, 24
Grundwert, 17
unmögliches, 53, 141
Ereignisraum, 141
Ergänzung
quadratische, 67, 70
Ergebnisraum, 52, 141
Erwartungswert, 162
der Binomialverteilung, 169
Erweitern, 12, 47
Erweiterungsfaktoren, 12
Eulersche Zahl e, 120
Exponent, 4, 65
Exponentialfunktion, 94
natürliche, 120
Exponentialgleichungen, 93
Extremwerte, 128
Faktor, 4
Fakultät, 7, 57
Federkonstante, 42
Fehler
relativer, 63
Femto, 8
Figur
kongruente, 60
Figuren
kongruente, 29
Figuren, geometrische, 9
Fläche, 9
Flächeneinheit, 19
Flächenfunktion, 148
Flächeninhalt, 10
Flächenmaße, 10
Flachpunkt, 130
Folge
arithmetische, 91
geometrische, 92
Funktion, 38
affine, 40
ganzrationale, 51, 95
gebrochen-rationale, 51, 103, 106
lineare, 40
periodische, 88
quadratische, 69, 70
stetige, 116
Funktionsgleichung, 38
Funktionsgraf
Achsenspiegelung, 98
Dehnung, 98
Manipulation, 98
Punktspiegelung, 98
Streckung, 98
Symmetrie, 99
Verschiebung, 98
ganze Zahlen, 7
Gauss, 91
Gaussklammer, 169
Gauß, 5
Gegenereignis, 53
Gegenhypothese, 173
Gegenkathete, 76
Häufigkeit
absolute, 54
relative, 18, 54
Höhe, 32
im gleichschenkligen Dreieck, 75
im gleichseitigen Dreieck, 75
Höhensatz, 74
Halbgerade, 27
Halbwertszeit, 94, 127
Hauptbruchstrich, 15, 48
Hauptnenner, 12, 48
Hauptsatz
der Differential- und Integralrechnung, 151
Hektar, 10
Hekto, 8
Hektoliter, 19
Hexadezimalsystem, 8
178
Index
Hochachse, 38
Hochpunkt, 129
Hospital, de, 126
Hypotenuse, 74, 76
Hypothese
diskret, 174
kontinuierlich, 174
Hypothesentest, 173
Kreisfläche, 43
Kreisgleichung, 82, 132
Kreisinneres, 27
Kreislinie, 43, 82
Kreissegment, 84
Kreissektor, 43, 84
Kreisumfang, 43
Kreiszahl π, 43, 82
Kreuzprodukt (Vektorprodukt), 138
Kubikzentimeter, 18
Kugel, 85
Oberfläche, 86
Volumen, 85
Kugelgleichung, 132
Kugelhaube, 86
Kugelkoordinaten, 140
Kugelsegment, 86
indirekte Proportionalität, 43
Innenwinkel, 29
Summe im n-Eck, 32
Integral
bestimmtes, 149
unbestimmtes, 145
und Flächeninhalt, 150
uneigentliches, 152
Integralfunktion, 151
Integrand, 146
Intervall, 39
punktiertes, 97
Intervallschachtelung, 62
irrationale Zahlen, 62
Körper, geometrische, 79
Kürzen, 12, 47
Kanten, 18
kartesisch, 10
Kathete, 74
Kathetensatz, 74
Kegel, 81
Kehrwert, 14
Kettendivision, 6, 13
kg, 9
kgV, 6, 12, 48
Kilo, 8
Kilogramm, 9
Kirchhoff, Steuermodell, 21
Klammern, 5
Koeffizient, 22, 95
Koeffizientenvergleich, 95
kollinear, 153
Kolmogorow, 143
Kombinatorik, 163
Komma, 15
Kommaschreibweise von Größen, 9
Kommutativgesetz, 5, 7, 22, 134
komplanar, 153
kongruent, 29
kongruente Dreiecke, 29
kongruente Figuren, 29
Kongruenzabbildung, 36, 37
Kongruenzaxiome, 29
Konstruktionen, 30
konvergent, 102
Koordinaten
kartesische, 140
Koordinatensystem, 10, 38
räumlich, 78
Kosinus, 76, 87
Kreis, 27, 43
Längeneinheit, 19
Längengrad, 140
Längenmaße, 8
längentreu, 36, 37
Lösungsmenge, 24, 44
Laplace-Experimente, 56
Limes, 101
lineare Näherung, 117
Linearfaktoren, 97
Linearkombination, 136, 153
Linearkonbination, 136
Linie, 9
linksgekrümmt, 129
Liter, 19
logarithmisches Differenzieren, 125
Logarithmus, 93
natürlicher, 124
Logarithmusfunktion, 93
Logarithmusgleichungen, 93
logische Zeichen, 61
Lot
auf Ebene, 78
Lotkonstruktionen, 30
Lotto, 57
179
Mächtigkeit, 3, 53
der Vereinigungsmenge, 142
Mantelfläche, 81
Maximum
absolutes, 128
relatives, 128
Maßstab
doppelt logarithmisch, 104
Mega, 8
Menge, 3
leere, 53
Mengenalgebra, 141
Mengendiagramm, 141
Mengentabelle (Struktogramm), 141
Messung, 4
Metrik, 132
Mikro, 8
Milli, 8
Index
Pfeil, 133
Pi (π), 82
Pi-Berechnung nach Archimedes, 83
Piko, 8
Platzhalter, 20
Polarkoordinaten, 140
Polynom, 51, 95
Polynomdivision, 96
Potentzmenge, 141
Potenz, 4
ganzzahlige Exponenten, 49
rationale Exponenten, 65
Potenzgesetze, 49, 65
Potenzmenge, 53
Primfaktoren, 12
Primfaktorenzerlegung, 6
Primzahl, 6
Prinzip von Cavalieri, 85
Prisma, 79
Produkt, 4
kartesisches, 132
Produktform, 70
Produktregel, 112
proportional
direkt, 42
umgekehrt, 43
Proportionalität
direkte, 42
indirekte, 43
Proportionalitätskonstante, 42
Prozente, 17
Prozentrechnung, 17
Prozentsatz, 17
Prozentwert, 17
Punkt, 9, 27, 132
Punktmenge, 27
Punktmengen, 9
Punktraum, 132
Punktspiegelung, 36, 58
Punktsymmetrie, 36
Pyramide, 75, 79
Volumen, 80
Pythagoras, Satz des, 74
Milliarde, 4
Milliliter, 19
Million, 4
Minimum
absolutes, 128
relatives, 128
Minuend, 4
Mittel
arithmetisches, 26
Mittellinie, 59
Mittelpunkt, 27, 32
Mittelsenkrechte, 32
Mittelsenkrechte, Konstruktion, 30
Mittelwerte, 26
monoton fallend, 122
monoton steigend, 122
Monotonie, 122
Multiplikation, 4, 22
n-Eck, regelmäßiges, 37
Näherung
lineare, 63, 117
quadratische, 63
Nachdifferenzieren, 113
Nano, 8
natürlicher Logarithmus, 124
Nebenwinkel, 29
Negation, 74
Nenner, 11, 47
gemeinsamer, 12
rational machen, 64
Nennerpolynom, 51
Newtonverfahren, 63, 119
Normale, 110
Normalenvektor, 139, 155
Normalparabel, 69
Normalverteilung, 172
Nullhypothese, 173
Nullmeridian, 140
Nullstelle, 39, 70
berührende, 97
schneidende, 97
Vielfachheit, 97
Nullstellensatz, 116
Nullvektor, 134
Quader, 18, 19, 79
Quadrat, 4, 9
quadratische Ergänzung, 67, 70
quadratische Gleichungen, 67
Quadratwurzel, 62
Quadratzahlen, 4
Quadrillion, 4
Quersumme, 6
Quintillion, 4
Quotient, 4
Ordinate, 10, 108
Ordinatenachse, 38
Ortsvektor, 133
Parabel, 69, 70
parallel, 9
Parallelen, 31
parallelgleich, 133
Parallelogramm, 9
Flächeninhalt, 139
Parallelverschiebung, 134
Periodenlänge, 88
periodische Dezimalbrüche, 16
Permutation, 163
Pfadregeln, 72, 73
180
Radikand, 62
Radius, 27, 43, 85
Radizieren, 62
teilweises, 64
rationale Zahlen, 61
Raum, 132
Index
Raumgeometrie, 78
Rauminhalt, 18
Raummaße, 18
Rechenregeln, 5
Rechteck, 9
Rechtsachse, 38
rechtsgekrümmt, 129
Rechtssystem, 138
reelle Zahlen, 62
Reihe
arithmetische, 91
geometrische, 92
Rekursion, 63
Rekursionsformel, 83, 119
Relation, 38
relative Häufigkeit, 18, 54
relativer Fehler, 63
Repräsentant, 133
Rest, bei Teilung, 5
loga x, 127
sin, 87
sin x, cos x, 111
tan, 87
sgn(x) (Signum), 62, 100, 116
x (Betragsfunktion), 100, 115, 116
ax , 127
xx , 127
Spiegelpunkt, 35
Spiegelzahl, 7
Spurpunkte, 156
Stammfunktion, 145
Standardabweichung, 162
der Binomialverteilung, 170
Steigung, 40, 77
einer Funktion, 109
Steigungsdreieck, 40, 110
Steigungswinkel, 77, 109
Stetigkeit, 116
Stichprobe, 163, 173
geordnet mit Zurücklegen, 163
mit Zurücklegen, 163
ohne Zurücklegen, 163
ungeordnet mit Zurücklegen, 166
ungeordnet ohne Zurücklegen, 164
Strahlensätze, 59
Strecke, 27
Teilung, 59
Streckung, zentrische, 58
Streckungsfaktor, 58
Struktogramm (Mengentabelle), 141
Stufenzahlen, 8
Subtrahend, 4
Subtraktion, 4
Summand, 4
Summe, 4
Symmetrie, 35
Symmetrieachse, 35
Symmetriezentrum, 36
S-Multiplikation, 135
Sarrussche Regel, 139
Sattelpunkt, 130
Scheinbrüche, 14
Scheitel, 27, 70
Scheitelform, 70
Scheitelwinkel, 29
Schenkel, 27
Schlussnullen, 15
Schnittmenge
Ebene mit Ebene, 159
Gerade mit Ebene, 159
Schnittpunkt, 27
von zwei Geraden, 41
Schnittwinkel
Ebene–Ebene, 158
Gerade–Ebene, 78, 158
Schrägbild, 78, 132
Schwerpunkt, 59
Sechzehnersystem, 8
Segment, 84
Seitenhalbierende, 32, 59
Sekante, 108
Sektor, 43, 84
Sektorfläche, 43
senkrecht, 78
Sextillion, 4
Signifikanzniveau, 174
Signifikanztest, 174
Signum, 62, 100
Sinus, 76, 87
Sinusfunktion, allgemeine, 88
Skalar, 135
Skalarprodukt, 137
spezielle Funktionen
Θ(x) (Sprungfunktion), 100
ex , 120
cos, 87
exp(x), 121
ln x, 124
tammbrüche, 14
Tangens, 76, 87
Tangente, 109
an einen Funktionsgrafen, 109
Taylorreihe, 118
Teilbarkeit, 5
Teilbarkeitsregeln, 6
Teiler, 5
gemeinsame, 6
größter gemeinsamer, 6
Teilermenge, 5
Teilmenge, 3
Teilung, 4
Teilung mit Rest, 5
Teilung, einer Strecke, 59
Tera, 8
Term, 20
Terme
Äquivalenzumformungen, 22
äquivalente, 22
181
Index
gleichartige, 22
Zusammenfassen, 22
Termumformungen, 22
Terrassenpunkt, 130
Test, 173
Annahmebereich, 174
kritischer Bereich, 174
Testgröße, 173
Textaufgaben, 26
Thaleskreis, 35
Tiefpunkt, 129
Tonne, 9
Trigonometrie, 76, 87
Trillion, 4
Tupel, 57
Femto, 8
Giga, 8
Hekto, 8
Kilo, 8
Mega, 8
Mikro, 8
Milli, 8
Nano, 8
Piko, 8
Tera, 8
Zenti, 8
Vorzeichenregeln, 23
Vorzeichenwechsel, 97, 130
Würfel, 18
Wachstum
exponentielles, 92, 127
lineares, 91
Wahrscheinlichkeit, 54, 55
bedingte, 90, 144
Wahrscheinlichkeitsfunktion, 162
Wahrscheinlichkeitsmaß, 143
Wahrscheinlichkeitsraum, 143, 162
Wahrscheinlichkeitsverteilung, 162
Wendepunkte, 130
Wendetangente, 131
Wertemenge, 38
Wertepaar, 38
Wertetabelle, 20, 38
Widerspruchsbeweis, 74
Winkel, 27
überstumpfer, 28
an einer Geradenkreuzung, 29
Bogenmaß, 84
Doppelkreuzung, 31
Gerade–Ebene, 78
gestreckter, 28
Gradmaß, 84
rechter, 28
spitzer, 28
stumpfer, 28
Winkelübertragung, 30
Winkelfeld, 27
Winkelfunktionen, 76, 87
und Taschenrechner, 76
Winkelhalbierende, 30, 32
Ebenen, 158
Geraden, 158
Winkelmaß, 28
Winkelminute, 28
Winkelsekunde, 28
Winkelsumme im Dreieck, 32
winkeltreu, 58
Wurzel, 62
Wurzelberechnung
numerisch, 66
Wurzelberechnung, numerisch, 63
Wurzelgleichungen, 68
Wurzelterme, 64, 66
Umfang des Kreises, 43
Umgebung, 128
umgekehrt proportional, 43
Umkehrfunktion, 123
Umkehrung, 74
Umkreismittelpunkt, 32
Umlaufsinn, 36, 37
Unabhängigkeit
lineare, 153
stochastische, 144
unechte Brüche, 14
Ungleichung, 44
Urne, 72
Urnenmodell, 163
Ursprung, 10
Variable, 20, 24
abhängige, 108
unabhängige, 40, 108
Varianz, 162
der Binomialverteilung, 170
Vektor, 133
Betrag, 75, 135
Parallelität, 135
Vektorprodukt (Kreuzprodukt), 138
Veränderliche, 20
Vereinigungsmenge, 3
Verkettung von Funktionen, 113
Verschiebung, 134
Verteilungsfunktion
kumulativ, 162, 170
Vielfachenmenge, 5
Vielfaches, 5, 6
gemeinsames, 6
kleinstes gemeinsames, 6
Vielfachheit, 97
Viereck, 9
Vierfeldertafel, 55, 89
Vieta, Satz von, 67
vollständig gekürzt, 13
Volumen, 18
Volumeneinheit, 19
Voraussetzung, 74
Vorsilben, 8
Dezi, 8
182
Zähler, 11, 47
Index
Zählerpolynom, 51
Zählprinzip, 57
Zahlen
ganze, 7, 11
gemischte, 14
irrationale, 62
natürliche, 11
rationale, 11, 61
reelle, 62
Zahlengerade, 7
Zahlenmenge, 3
Zahlenpaar, 38
Zahlensysteme, 8
Zehnerpotenzen, 4, 49
Zehnersystem, 4
Zeichen
logische, 61
Zeitmaße, 8
Zenti, 8
Zentiliter, 19
Zentner, 9
zentrische Streckung, 58
Zerfallsgesetz, 127
Zerlegung, 53, 141
Zerlegungssatz, 54, 55, 73
Ziehen
mit Zurücklegen, 72
ohne Zurücklegen, 72
Ziffern, 8
Zinssatz, 108
Zufallsexperiment, 18, 52, 89, 141
mehrstufig, 52
mehrstufiges, 72
zusammengesetztes, 72
zweistufiges, 72
Zufallsgrößen, 162
zweidimensional, 9
Zweierpotenzen, 8
Zweiersystem, 8
Zwischenwertsatz, 116
Zylinder, 81
183

Grundwissen Mathematik 5. bis 12. Klasse

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