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Phasenverschiebung

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Drei der gegebenen Funktionsterme sind zueinander äquivalent, der vierte unterscheidet sich. Welcher ist es? a) \(y = \sin(2x)\) b) \(y = \sin(2(x + \pi))\) c) \(y = \cos\left(2x - \frac{\pi}{2}\right)\) d) \(y = \cos\left(2x + \frac{\pi}{2}\right)\)

Denkanstöße

- Erinnere dich an die Periodizität von Sinus und Cosinus. Was passiert, wenn man ein Vielfaches von \(2\pi\) zum Argument addiert? - Wie hängen Sinus und Cosinus über eine Verschiebung (Phasenverschiebung) zusammen? - Überprüfe die Symmetrieeigenschaften oder nutze die Einheitskreis-Definition für Verschiebungen um \(\frac{\pi}{2}\).

Lösung

1. Untersuchung von b): \(\sin(2(x + \pi)) = \sin(2x + 2\pi)\). Da die Sinusfunktion eine Periode von \(2\pi\) hat, gilt \(\sin(2x + 2\pi) = \sin(2x)\). Somit ist b) äquivalent zu a). 2. Untersuchung von c) mittels Phasenverschiebung: Es gilt die Identität \(\cos(\alpha - \frac{\pi}{2}) = \sin(\alpha)\). Mit \(\alpha = 2x\) folgt \(\cos(2x - \frac{\pi}{2}) = \sin(2x)\). Somit ist c) äquivalent zu a). 3. Untersuchung von d): Es gilt \(\cos(\alpha + \frac{\pi}{2}) = -\sin(\alpha)\). Mit \(\alpha = 2x\) folgt \(\cos(2x + \frac{\pi}{2}) = -\sin(2x)\). Dieser Term unterscheidet sich durch das Vorzeichen.

Antwort

d) \(y = \cos\left(2x + \frac{\pi}{2}\right)\)
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Gegeben ist die Funktion \(f\) mit der Funktionsgleichung \(f(x) = 2{,}5 \cdot \cos(x - \frac{\pi}{4}) - 1\). Gib eine Funktionsgleichung der Form \(g(x) = a \cdot \sin(x - c) + d\) an, welche dieselbe Funktion beschreibt. Bestimme dazu passende Werte für die Parameter \(a\), \(c\) und \(d\).

Denkanstöße

- Welche Parameter der Funktion beeinflussen die Streckung in y-Richtung und die Verschiebung entlang der y-Achse? Ändern sich diese bei einem Wechsel zwischen Sinus und Kosinus? - Erinnere dich an die Beziehung zwischen der Sinus- und der Kosinusfunktion im Einheitskreis oder im Koordinatensystem. - Wie lässt sich ein Pluszeichen in der Klammer als Differenz schreiben?

Lösung

1. Identifikation der Parameter, die durch die Umformung unverändert bleiben: Die Amplitude \(a = 2{,}5\) und die vertikale Verschiebung \(d = -1\) werden direkt übernommen. 2. Anwendung des Zusammenhangs \(\cos(\alpha) = \sin(\alpha + \frac{\pi}{2})\) auf den Argumentausdruck \(\alpha = x - \frac{\pi}{4}\). 3. Einsetzen und Vereinfachen des Arguments: \(f(x) = 2{,}5 \cdot \sin(x - \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{2}) - 1 = 2{,}5 \cdot \sin(x + \frac{\pi}{4}) - 1\). 4. Umformung in die Zielstruktur \(x - c\): Da \(x + \frac{\pi}{4} = x - (-\frac{\pi}{4})\) gilt, ergibt sich der Phasenverschiebungsparameter zu \(c = -\frac{\pi}{4}\).

Antwort

Eine mögliche Funktionsgleichung ist \(g(x) = 2{,}5 \cdot \sin(x - (-\frac{\pi}{4})) - 1\) bzw. \(g(x) = 2{,}5 \cdot \sin(x + \frac{\pi}{4}) - 1\). Die Parameter sind \(a = 2{,}5\), \(c = -\frac{\pi}{4}\) und \(d = -1\).
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Zwei Funktionen \(f\) und \(g\) sind gegeben durch \(f(x) = \cos(x - c)\) und \(g(x) = \sin(x - c')\). 1. Leite unter Verwendung des Zusammenhangs \(\cos(x) = \sin(x + \frac{\pi}{2})\) eine Formel her, mit der man den Parameter \(c'\) berechnen kann, wenn \(c\) vorgegeben ist und die Graphen der beiden Funktionen identisch sein sollen. 2. Berechne \(c'\) für den Fall \(c = \frac{3\pi}{4}\).

Denkanstöße

- Überlege dir, wie du den Term in der Klammer der Kosinusfunktion ersetzen kannst, um zur Sinusfunktion zu gelangen. - Was muss für die Terme innerhalb der Sinusklammern gelten, damit die Funktionen für alle \(x\) den gleichen Wert liefern? - Achte beim Rechnen mit Brüchen und \(\pi\) auf einen gemeinsamen Nenner.

Lösung

1. Ausgehend von \(f(x) = \cos(x - c)\) wird die Identität \(\cos(\alpha) = \sin(\alpha + \frac{\pi}{2})\) genutzt. Mit \(\alpha = x - c\) folgt \(f(x) = \sin(x - c + \frac{\pi}{2})\). Um dies in die Form \(\sin(x - c')\) zu bringen, setzt man das Argument gleich: \(x - c' = x - c + \frac{\pi}{2}\). Durch Auflösen nach \(c'\) ergibt sich die allgemeine Formel \(c' = c - \frac{\pi}{2}\). 2. Einsetzen des Wertes \(c = \frac{3\pi}{4}\) in die hergeleitete Formel: \(c' = \frac{3\pi}{4} - \frac{\pi}{2} = \frac{3\pi}{4} - \frac{2\pi}{4} = \frac{\pi}{4}\).

Antwort

1. Die Formel lautet \(c' = c - \frac{\pi}{2}\). 2. Für \(c = \frac{3\pi}{4}\) ergibt sich \(c' = \frac{\pi}{4}\).

Alle Aufgaben dürfen für Schule und Nachhilfe (auch im Rahmen bezahlter Nachhilfe) kostenlos genutzt, kopiert und ausgedruckt werden. Nicht gestattet sind kommerzielle Bearbeitungen sowie die Veröffentlichung oder Weiterverbreitung im Internet.