Angestrebter Kompetenzerwerb
- Fettdruck: Vom Kernlehrplan verpflichtend vorgegebene
Kompetenzerwartungen.
- Normaldruck: Schulspezifische Kompetenzerwartungen.
Handlungsfeld „Funktionsuntersuchungen“
- Ich kann notwendige
Kriterien und Vorzeichenwechselkriterien sowie weitere
hinreichende Kriterien zur Bestimmung von Extrem- und
Wendepunkten verwenden.
- Ich kann die Begriffe "Kriterium", "notwendiges
Kriterium" und "hinreichendes Kriterium" in
nichtmathematischen Sachverhalten erklären.
- Der Bergriff "Kriterium" ist am besten mit
"Erkennungsmerkmal", "Eigenschaft" oder "Bedingung" zu
übersetzen.
- Ein sogenanntes "notwendiges Kriterium" ist
ein Erkennungsmerkmal, das für einen bestimmten
Sachverhalt zwar notwendig ist, aber nicht ausreicht.
- Beispiel:
- Ein Fahrzeug muss einen Motor haben, damit es
ein Auto ist. Ein "notwendiges Kriterium" für ein
Auto lautet also: "muss einen Motor haben".
- Wenn ein Fahrzeug nun einen Motor hat, dann muss es
aber nicht zwangsläufig ein Auto sein, denn es kann ja
auch ein Motorrad oder ein Schiff sein.
- Das Kriterium "hat einen Motor" ist also keine
ausreichende Bedingung. Anstatt "ausreichende
Bedingung" sagt man in der Mathematik "hinreichende
Bedingung" oder "hinreichendes Kriterium".
- Wie aber lautet nun ein hinreichendes Kriterium
dafür, dass ein Auto vorliegt?
- Ein hinreichendes Kriterium für ein Auto wäre
zum Beispiel:
- Hat einen Motor und vier Räder.
- Wenn ein Fahrzeug einen Motor und vier Räder
hat, dann muss es ein Auto sein, denn ein Schiff
het keine Räder und ein Motorrad hat zwei Räder.
- Natürlich gibt es noch andere hinreichende
Kriterien für ein Auto, wie zum Beispiel:
- Hat einen Motor und wird von VW vertrieben.
- Da VW weder Schiffe noch Motorräder verkauft,
reicht dieses Kriterium aus, um zu beweisen, dass
es sich um ein Auto handelt.
- Ich kann die Definition für ein lokales Maximum
einer Funktion f und für ein lokales Minimum einer
Funktion f richtig benennen.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I definiert.
Der Funktionswert f(x0) heißt
- lokales Maximum von f, wenn es eine Umgebung U(x0)
gibt, so dass für alle Werte x aus der
Schnittmenge von U(x0) und I gilt: f(x)
≤ f(x0).
- lokales Minimum von f, wenn es eine Umgebung U(x0)
gibt, so dass für alle Werte x aus der
Schnittmenge von U(x0) und I gilt: f(x)
≥ f(x0).
- Ich kenne folgende Bezeichnung:
- Ist der Funktionswert f(x0) ein Maximum
oder ein Minimum, nennt man ihn auch Extremwert
und x0 eine Extremstelle (Maximum-
bzw. Minimumstelle).
- Ich kenne die Bezeichnungen "globales Maximum", "globales
Minimum" und "Randextremum".
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Notwendige
Bedingung für innere Extremstellen) richtig benennen
und anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I
differenzierbar und x0 eine innere Stelle
von I. Wenn f an der Stelle x0 einen
Extremwert hat, dann ist f '(x0)
= 0 .
- Ich kenne folgende Verallgemeinerung: Statt zu sagen
"Wenn A, dann B", sagt man auch "B ist notwendig für A".
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Erste
hinreichende Bedingung für innere Extremstellen;
Vorzeichenwechsel von f '(x)) richtig benennen und
anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I
differenzierbar und x0 eine innere Stelle
von I. Wenn f '(x0)
= 0 ist und f '(x) für zunehmende
Werte von x bei x0 von
- positiven zu negativen Werten wechselt (+/–)-VZW,
dann hat die Funktion f ein lokales Maximum
an der Stelle x0.
- negativen zu positiven Werten wechselt (–/+)-VZW,
dann hat die Funktion f ein lokales Minimum
an der Stelle x0.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Zweite
hinreichende Bediungung für innere Extremstellen über
die zweite Ableitung f ") richtig benennen und
anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I zweimal
differenzierbar. Gilt für eine innere Stelle x0
von I
- f '(x0) = 0
und f "(x0) < 0 , dann hat
die Funktion f an der Stelle x0 ein lokales
Maximum.
- f '(x0) = 0
und f "(x0) > 0 , dann hat
die Funktion f an der Stelle x0 ein lokales
Minimum.
- Ich kenne folgende Verallgemeinerung: Statt zu sagen
"Wenn A, dann B", sagt man auch "A ist hinreichend für B".
- Ich kann das Verfahren zur Ermittlung aller
Extremwerte einer Funktion f in einem Intervall I richtig
anwenden.
- Untersuche die Stellen, die sich als Lösung der
Gleichung f '(x0)
= 0 ergeben.
- Untersuche das Verhalten an den Randstellen
von I.
- Ich kenne den Begriff "Wendestelle".
- Eine innere Stelle x0 von einem
Intevall I heißt Wendestelle einer Funktion f, wenn im
zugehörigen Punkt W (x0 |f(x0))
der Graph von einer Linkskurve in eine Rechtskurve
übergeht oder umgekerht.
- Ich weiß, dass ein Wendepunkt mit waagerechter Tangente
Sattelpunkt heißt.
- Ich kann den Zusammanhang erläutern, dass die
Wendestellen einer Funktion lokale Extremstellen der
Ableitungsfunktion f ' sind und als solche ermittelt
werden können.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Notwendige
Bedingung für Wendestellen) richtig benennen und
anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I zweimal
differenzierbar und x0 eine innere Stelle
von I. Wenn f an der Stelle x0 eine
Wendestelle hat, dann ist f "(x0)
= 0 .
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Erste
hinreichende Bedingung für Wendestellen) richtig
benennen und anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I
differenzierbar und x0 eine innere Stelle
von I. Wenn f "(x0)
= 0 ist und f "(x) bei x0
einen Vorzeichenwechsel (VZW) hat, dann ist x0
eine Wendestelle.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz (Zweite
hinreichende Bediungung für Wendestellen) richtig
benennen und anwenden.
- Die Funktion f sei auf einem Intervall I dreimal
differenzierbar und x0 eine innere Stelle
von I. Wenn f "(x0)
= 0 und f '"(x0) ≠ 0 ist, dann ist x0
eine Wendestelle.
- Ich kann das
Krümmungsverhalten des Graphen einer Funktion mithilfe der
2. Ableitung beschreiben.
- Ich weiß, dass der zu einem Intervall I gehörende Graph
einer differenzierbaren Funktion f Linkskurve
heißt, wenn f´streng monoton zunehmend ist.
- Ich weiß, dass der zu einem Intervall I gehörende Graph
einer differenzierbaren Funktion f Rechtskurve
heißt, wenn f´streng monoton abnehmend ist.
- Ich weiß, dass sich nach dem Monotoniesatz das Krümmungsverhalten
des Graphen daher mit der Ableitung f " von f ' (also
mithilfe der 2. Ableitung) bestimmen lässt.
- Gilt f "(x) > 0 in I, ist f ' monoton zunehmend;
es liegt eine Linkskurve vor.
- Gilt f "(x) < 0 in I, ist f ' monoton abnehmend;
es liegt eine Rechtskurve vor.
- Ich weiß, dass beim Übergang von einer Linkskurve in
eine Rechtskurve die Tangentensteigung von zunehmenden
Werten übergeht zu abnehmenden Werten. Daher hat die
Ableitung f ' an einer solchen Stelle ein lokales Maximum.
- Ich weiß, dass beim Übergang von einer Rechtskurve in
eine Linkskurve die Tangentensteigung von abnehmenden
Werten übergeht zu zunehmenden Werten. Daher hat die
Ableitung f ' an einer solchen Stelle ein lokales Minimum.
Handlungsfeld „Funktionsbestimmungen“
- Ich kann Parameter von
Funktionen im Anwendungszusammenhang interpretieren.
- Ich kann Parameter einer
Funktion mihilfe von Bedingungen, die sich aus dem Kontext
ergeben, bestimmen ("Steckbriefaufgaben").
- Ich weiß, dass eine Steckbriefaufgabe im wesentlichen
das Gegenteil einer Kurvendiskussion ist. Aus gegebenen
Charakteristika einer Funktion (Nullstellen,
Extremstellen, Wendestellen, Tangentensteigungen etc) muss
eine Funktionsgleichung hergeleitet werden.
- Die Herangehensweise an Steckbriefprobleme ist im Grunde
genommen für alle Probleme gleich. Nur die Art der
Funktion (ganzrationale Funktion, Exponentialfunktion,
etc) kann sich unterscheiden.
- Schritt 1: Aufstellen der allgemeinen
gesuchten Funktion
- Wie oben beschrieben ist das Ziel einer
Steckbriefaufgabe das Herleiten einer Funktion aus
ihren gegebenen Charakteristika. Dazu muss aber
zuerst einmal bekann sein, um was für eine Art von
Funktion es sich handelt.
- Ganzrationale Funktion n-ten Grades: f(x) = anxn
+ ... a1x + a0
- Exponentialfunktion: f(x) = b·ax
- Schritt 2: Herausfiltern der gegebenen
Charakteristika der Funktion
- Im zweiten Schritt ist es nun nötig, bestimmte
Informationen aus dem Text zu entnehmen, die sich
auf Charakteristika der Funktion beziehen.
Beispielsweise könnte die Position eines
Tiefpunktes gegeben sein. Daraus kann man folgern,
dass die Ableitung der gesuchten Funktion an
dieser Stelle 0 sein muss. Falls sogar die genaue
Position (x- und y-Koordinate) gegeben sein
sollten, hätte man somit auch noch die Information
über den Funktionswert an dieser Stelle.
- Es gilt folgende Merkregel über die Anzahl der
Informationen für eine eindeutige Lösung:
- Die Anzahl der verschiedenen Informationen,
die für eine eindeutige Lösung des Problems
benötigt werden, ist gleich der Anzahl der
Unbekannten in der allgemeinen
Funktionsgleichung, die dem Problem zugeordnet
werden kann.
- Schritt 3: Aufstellen und Lösen eines
linearen Gleichungssystems
- Mit Hilfe der allgemeinen Funktionsgleichung
(und ihrer Albeitungen) lässt sich nun ein
Gleichungssystem aufstellen, wobei jede
Information in einer Gleichung verwertet wird.
- Das entsprechende Gleichungssystem ist
anschließend zu lösen.
- Setzt man die gewonnenen Lösungen in die
allgemeine Funktion ein, so erhält man die
gesuchte Funktionsgleichung.
- Schritt 4: Kontrolle des Ergebnisses
- Die Kontrolle ist nötig, das nur notwendige
Bedingungen bei der Aufstelllung des
Gleichungssystems verwendet werden.
- Speziell für die Bestimmung von ganzrationalen
Funktionen gilt folgende Strategie:
- Formulieren der gegebenen Bediungungen mithilfe von
f, f ', f " usw.
- Bei n+1 Bedingungen Ansetzen einer Funktion vom Grad
n; Aufstellen des Gleichungssystems
- Lösen des Gleichungssystems; Angabe der gefundenen
Funktion
- Kontrolle des Ergebnisses
- Ist der Graph der gesuchten Funktion
achsensymmetrisch zur y-Achse oder punktsymmetrisch
zum Ursprung, kann dies bereits beim Ansatz
berücksichtigt werden. Hierdurch vereinfacht sich das
Gleichungssystem.
Handlungsfeld „Ableitungsregeln“
- Ich kann die Ableitungen
von Potenzfunktionen mit ganzzahligen Exponenten bilden.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz richtig benennen
und anwenden (Potenzregel)
- Für f(x)=xk mit k ∈ Z ist f '(x)=k
· xk–1
- Ich kann die Summenregel und die Faktorregel
richtig benennen und anwenden.
- Für f(x) = g(x) + h(x) gilt: f '(x) = g '(x) + h
'(x).
- Für f(x) = c · g(x) mit c ∈ R gilt: f
'(x) = c · g '(x).
- Ich kann die Produktregel richtig benennen und
anwenden.
- Für f(x) = u(x) · v(x) gilt: f '(x) = u '(x) ·
v(x) + u(x) · v '(x)
- Ich kann die Ableitungen
der natürlichen Exponentialfunktion bilden.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz richtig benennen
und anwenden:
- Die natürliche Exponentialfunktion f mit f(x) = ex
hat die Ableitungsfunktion f ' mit f '(x) = ex
.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz richtig benennen
und anwenden:
- Die Funktion f mit f(x) = ev(x) ist eine
Verkettung der Funktion v: x → v(x) mit der
Exponentialfunktion u: v → u(v) = ev .
Existiert die Ableitung v ', so gilt nach der
Kettenregel f '(x) = ev(x) · v '(x) .
- Ist insbesondere v eine lineare Funktion mit v(x) =
mx + c, also f(x) = emx + c , so ist f '(x)
= m · emx + c .
- Ich kann in einfachen
Fällen zusammengesetzte Funktionen bilden (Summe, Produkt,
Verkettung).
- Ich kann folgende Zusammenhänge richtig benennen und
anwenden:
- Gegeben sind zwei Funktionen f(x) und g(x). Diese
können auf unterschiedliche Weise zu einer neuen
Funktion h(x) verknüpft werden:
- h(x) = f(x) + g(x) „Summe“
- h(x) = f(x) – g(x) „Differenz“
- h(x) = f(x) · g(x) „Produkt“
- h(x) = f(x) / g(x) „Quotient“
- Wenn f(x) und g(x) allerdings in der Form f(g(x))
miteinander verknüpft werden, spricht man von Verkettung
(manchmal auch Komposition bzw.
Hintereinanderausführung genannt).
- h(x) = f(g(x)) bzw. h(x) = (f ° g)
(x) „Verkettung“
- Auf das Argument x wird zuerst die Funktion
g(x) angewendet. Deren Funktionswert bildet
dann das Argument für die Funktion f(x), die
dann den Funktionswert von h(x) liefert.
- f ist die sogenannte äußere Funktion, g ist
die sogenannte innere Funktion.
- Ich kann zwei gegebene Funktionen miteinander verketten.
- Ich kann eine verkettete Funktion in die äußere und die
innere Funktion zerlegen.
- Ich kann folgenden mathematischen Satz richtig benennen
und anwenden (Kettenregel):
- Ist f = u ° v bzw. f(x) = u(v(x))
eine Verkettung zweier differenzierbarer Funktionen u
und v, so ist auch f differenzierbar, und es gilt: f
'(x) = u '(v(x)) · v '(x). Kurz: Ableitung der äußeren
Funktion mal innere Ableitung.
- Ich kann die Kettenregel
auf Verknüpfungen der natürlichen Exponentialfunktion mit
linearen Funktionen anwenden.
- Beispiel: f(x) = e3x-2; f '(x) = 3 · e3x-2
- Ich kann die Produktregel
auf Verknüpfungen von ganzrationalen Funktionen und
Exponentialfunktionen anwenden.
- Beispiel: f(x) = (x2 + 2x) · e1-x;
f '(x) = (–x2 + 2) · e1-x
- Ich kann die Eigenschaften
von Exponentialfunktionen beschreiben.
- Funktionsgleichung:
- y = bx (Exponentialfunktion zur Basis b,
b>0 und b≠1)
- Definitionsmenge:
- Grundeigenschaft:
- Jedes Mal, wenn x um s wächst, wird der
Funktionswert mit dem Faktor bs
multipliziert.
- Der Graph
- ist streng monoton steigend für b>1
- und streng monoton fallend für 0<b<1
- liegt oberhalb der x-Achse (im I. und II.
Quadranten)
- geht immer durch den Punkt ( 0 I 1 ), den einzigen
gemeinsamen Punkt
- schmiegt sich für b>1 dem negativen Teil der
x-Achse und für 0<b<1 dem positiven Teil der
x-Achse an, d.h. die x-Achse ist in beiden Fällen
Asymptote
- ist überall links gekrümmt
- ist nicht symmetrisch und hat
- keine Nullstellen und
- keine Extrempunkte.
- Zusammenhang zwischen den Graphen:
- Die Graphen von y = bx und y = b–x
gehen durch Spiegelung an der y-Achse auseinander
hervor.
Bsp.: f(x) = 2x und
g(x) = 2–x = (1/2)x
- Anwendungen:
- exponentielles Wachstum (biologische Entwicklungen,
Zinseszinsen)
- exponentielle Abnahme (radioaktiver Zerfall, Abnahme
von Strahlung beim Durchgang durch Schichten,
biologische Prozesse)
- Mögliche Veränderungen am Graphen:
- Streckung: y = a · bx
, für a<0 verläuft der Graph unterhalb der x-Achse
im III. und IV. Quadranten.
- Verschiebung in y-Richtung:
y = bx + c, für c>0 wird der Graph nach
oben, für c<0 nach unten verschoben.
- Verschiebung in x-Richtung:
y = b(x + d) , für d>0 wird der Graph
nach links, für d<0 nach rechts verschoben.
- Ich kann die besondere
Eigenschaft der natürlichen Exponentialfunktion beschreiben.
- Ich kann folgende Zusammenhänge zwischen
Exponentialfunktionen mit beliebigen Basen und
Exponentialfunktionen mit der Zahl e (Eulersche Zahl) als
Basis erläutern:
- In Anwendungssituationen werden exponentielle
Prozesse häufig durch Funktionsterme mit e als Basis
beschrieben. Dass dies stets möglich ist, garantiert
der folgende Satz:
- Jede Exponentialfunktion der Form f(x) = bx
lässt sich mit der Basis e wie folgt darstellen:
f(x) = ek · x mit k = ln(b).
- Beweis: f(x) = bx = (eln(b))x
= eln(b) · x = ek · x mit k
= ln(b)
- Mit diesem Satz lässt sich nun die Ableitung jeder
Exponetialfunktion bestimmen:
- Die Exponentialfunktion f(x) = bx hat
die Ableitung f '(x) = ln(b) · bx .
- Beweis: f(x) = bx = (eln(b))x
= eln(b) · x
Daraus folgt mit der Kettenregel: f
'(x) = eln(b)·x · ln(b) = ln(b) · eln(b)·x
= ln(b) · bx .
- Die besondere Eigenschaft der natürlichen
Exponentialfunktion ist nun, dass gilt: ln(e) = 1 und sich
die natürliche Exponentialfunktion beim Ableiten
reproduziert. f(x) = ex ; f '(x) =
1·ex = ex .
- Ich kann Wachstums- und
Zerfallvorgänge mithilfe funktionaler Ansätze untersuchen.
- Ich kann folgende Zusammenhänge richtig beschreiben und
in Sachzusammenhängen anwenden:
- Exponentielle Wachstums- oder Zerfallsprozesse
können durch Funktionen f mit f(t) = c · at
bzw. f(t) = c · ek·t mit k = ln(a)
beschrieben werden.
- Dabei ist
- c ∈ R der Anfangsbestand zum Zeitpunkt t = 0,
- f(t) der Bestand zum Zeitpunkt t und
- a der Wachstumsfaktor.
- Für k > 0 heißt k Wachstumskonstante und f
Wachstumsfunktion
- Für k < 0 heißt k Zerfallskonstante und f
Zerfallsfunktion.
- Wird ein exponentieller Wachstums- oder
Zerfallsprozess durch eine Funktion f mit f(t) = c · ek·t
, c > 0 , beschrieben, und ist p (p > 0) die
prozentuale Zu- bzw. Abnahme pro Zeitschritt, so gilt:
- Wachstumskonstante: k = ln (1 + p/100)
- Zerfallskonstante: k = ln ( 1 – p/100)
- Verdopplungszeit: TV = ln(2)/k
- Halbwertszeit: TH = – ln(2)/k
Prozessbezogene Kompetenzen (Schwerpunke)
- Modellieren
Die Schülerinnen und Schüler
- erfassen und strukturieren zunehmend komplexe
Sachsituationen mit Blick auf eine konkrete Fragestellung
(Strukturieren)
- treffen Annahmen und nehmen begründet Vereinfachungen
einer realen Situation vor (Strukturieren)
- übersetzen zunehmend komplexe Sachsituationen in
mathematische Modelle (Mathematisieren)
- erarbeiten mithilfe mathematischer Kenntnisse und
Fertigkeiten eine Lösung innerhalb des mathematischen
Modells (Mathematisieren)
- beziehen die erarbeitete Lösung wieder auf die
Sachsituation (Validieren)
- beurteilen die Angemessenheit aufgestellter (ggf.
konkurrierender) Modelle für die Fragestellung
(Validieren)
- verbessern aufgestellte Modelle mit Blick auf die
Fragestellung (Validieren)
- Problemlösen
Die Schülerinnen und Schüler
- finden und stellen Fragen zu einer gegebenen
Problemsituation (Erkunden)
- wählen heuristische Hilfsmittel (z. B. Skizze,
informative Figur, Tabelle …) aus, um die Situation zu
erfassen (Erkunden)
- setzen ausgewählte Routineverfahren auch hilfsmittelfrei
zur Lösung ein (Lösen)
- berücksichtigen einschränkende Bedingungen (Lösen)
- vergleichen verschiedene Lösungswege bezüglich
Unterschieden und Gemeinsamkeiten (Reflektieren)
- Werkzeuge nutzen
Die Schülerinnen und Schüler
- Verwenden verschiedene digitale Werkzeuge zum
- zielgerichteten Variieren der Parameter von
Funktionen
- grafischen Messen von Steigungen
- entscheiden situationsangemessen über den Einsatz
mathematischer Hilfsmittel und digitaler Werkzeuge und
wählen diese gezielt aus.
|