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Sinusförmige Funktionen aus Graphen bestimmen

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Der Graph einer periodischen Funktion der Form \(g(x) = a \cdot \sin(b \cdot (x - c)) + d\) schneidet seine Mittellinie im Punkt \(M(0 \mid 2)\) mit positiver Steigung. Der darauf folgende Hochpunkt ist \(H(2 \mid 5)\). Ermittle die Funktionsgleichung von \(g\).

Denkanstöße

- Welche Information über die Parameter \(c\) und \(d\) liefert dir der Schnittpunkt mit der Mittellinie bei \(x = 0\)? - Wie kannst du die Amplitude aus der Lage des Hochpunkts relativ zur Mittellinie berechnen? - Welcher Bruchteil der Periode vergeht zwischen dem Nulldurchgang (mit positiver Steigung) und dem ersten Maximum? - Wie berechnet man den Faktor \(b\), wenn die Periodenlänge bekannt ist?

Lösung

1. Bestimmung von \(d\): Da \(M(0 \mid 2)\) auf der Mittellinie liegt, ist \(d = 2\). 2. Bestimmung von \(a\): Die Amplitude ist die Differenz zwischen dem y-Wert des Hochpunkts und der Mittellinie: \(a = 5 - 2 = 3\). 3. Bestimmung der Periode \(p\) und des Parameters \(b\): Der Abstand von einem Schnittpunkt mit der Mittellinie (bei positiver Steigung) bis zum nächsten Hochpunkt ist ein Viertel der Periode: \(\frac{p}{4} = 2 - 0 = 2 \implies p = 8\). Damit ist \(b = \frac{2\pi}{8} = \frac{\pi}{4}\). 4. Bestimmung von \(c\): Da der Graph bereits bei \(x = 0\) die Mittellinie mit positiver Steigung schneidet, ist keine Verschiebung in x-Richtung gegenüber der Grundfunktion notwendig: \(c = 0\). 5. Einsetzen der Parameter in die Funktionsgleichung ergibt \(g(x) = 3 \cdot \sin(\frac{\pi}{4} \cdot x) + 2\).

Antwort

\(g(x) = 3 \cdot \sin(\frac{\pi}{4} x) + 2\)
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Ein periodischer Vorgang wird durch eine Sinusfunktion der Form \(f(x) = a \cdot \sin(b \cdot (x - c)) + d\) beschrieben. Verwende die Darstellung mit \(a > 0\) und \(0 \le c < p\), wobei \(p\) die Periodenlänge ist. Ein Tiefpunkt des zugehörigen Graphen liegt bei \(T(1 \mid 1)\), der unmittelbar darauf folgende Hochpunkt bei \(H(4 \mid 5)\). Zwischen diesen beiden Extrempunkten befinden sich keine weiteren Extremstellen. Bestimme die Werte der Parameter \(a\), \(b\), \(c\) und \(d\).

Denkanstöße

- Was lässt sich aus dem vertikalen Abstand der beiden Punkte über die Amplitude und die Mittellinie sagen? - Wie viel einer vollen Periode ist durch den horizontalen Abstand zwischen einem Tiefpunkt und dem nächsten Hochpunkt abgedeckt? - In welchem Zusammenhang steht der Parameter \(b\) zur Periodenlänge? - Wo müsste die Kurve die Mittellinie mit positiver Steigung schneiden, wenn \(a > 0\) gelten soll?

Lösung

1. Bestimmung der Verschiebung in \(y\)-Richtung \(d\): Der Wert liegt genau in der Mitte zwischen den \(y\)-Koordinaten von Tiefpunkt und Hochpunkt: \(d = \frac{5 + 1}{2} = 3\). 2. Bestimmung der Amplitude: Sie entspricht dem Abstand vom Extrempunkt zur Mittellinie. Da \(a > 0\) vorgegeben ist, gilt \(a = 5 - 3 = 2\). 3. Bestimmung der Periode \(p\) und des Parameters \(b\): Der \(x\)-Abstand zwischen einem Tiefpunkt und dem nächsten Hochpunkt entspricht einer halben Periode: \(\frac{p}{2} = 4 - 1 = 3 \implies p = 6\). Daraus folgt \(b = \frac{2\pi}{6} = \frac{\pi}{3}\). 4. Bestimmung der Verschiebung in \(x\)-Richtung \(c\): Bei \(a > 0\) liegt der Hochpunkt einer Sinusfunktion ein Viertel der Periode hinter dem Schnittpunkt mit der Mittellinie mit positiver Steigung. Es gilt \(x_H = c + \frac{p}{4}\), also \(4 = c + \frac{6}{4}\). Daraus folgt \(c = 2{,}5\). Dieser Wert erfüllt \(0 \le c < 6\). 5. Die Parameter lauten \(a = 2\), \(b = \frac{\pi}{3}\), \(c = 2{,}5\) und \(d = 3\).

Antwort

\(a = 2\), \(b = \frac{\pi}{3}\), \(c = 2{,}5\), \(d = 3\)

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.