MathProf - Interpolation ganzrationaler Funktionen

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MathProf 5.0 - Mathematik interaktiv

 

Interpolation ganzrationaler Funktionen

 

Das Teilprogramm [Analysis] - [Interpolation und Polynomregression] - Interpolation ganzrationaler Funktionen ermöglicht die Analyse einer ganzrationalen Interpolationsfunktion mit Hilfe mauspositionierbarer Stützstellen.

 

MathProf - Interpolation - Ganzrationlae


Durch die Definition von bis zu 5 Stützstellen, welche durch Mausbewegungen oder Werteingaben definiert werden können, wird eine Funktion der Form

Interpolation - Gleichung

dargestellt.

Das Programm ermittelt interpolativ mit Hilfe der vorgegebenen Punktkoordinaten eine ganzrationale Funktion, welche durch diese Punkte verläuft. Eine hierbei dargestellte Funktion n-ten Grades benötigt stets n Stützstellen.
 

Darstellung

Um sich eine ganzrationale Funktion, welche durch vorgegebene Punkte verläuft, ermitteln und darstellen zu lassen sollten Sie Folgendes ausführen:

  1. Wählen Sie durch Bedienung des Steuerelements Funktionsgrad die Anzahl der Punkte, durch welche die Funktion verlaufen soll.
     
  2. Möchten Sie die Koordinatenwerte der Punkte exakt festlegen, so können Sie die Schaltfläche Punkte auf dem Bedienformular nutzen und die entsprechenden Werte im daraufhin erscheinenden Formular eingeben. Übernommen werden diese, wenn Sie die sich dort befindende Schaltfläche Ok bedienen.
     
  3. Um die Koordinatenwerte der einzelnen Punkte mit der Maus zu verändern, klicken Sie in den rechteckig umrahmten Mausfangbereich und bewegen den Mauscursor bei gedrückt gehaltener Maustaste nach links oder nach rechts.
     
  4. Bestimmen Sie durch die Aktivierung/Deaktivierung der Kontrollkästchen 1. Ableitung oder 2. Ableitung, ob die Darstellung der 1. Ableitung bzw. der 2. Ableitung der ermitttelten Funktion ausgegeben werden soll.
     
  5. Legen Sie durch die Aktivierung/Deaktivierung eines der Kontrollkästchen Nullstellen, Extrema oder Wendepunkte fest, ob eine Kurvendiskussion mit der ermittelten Funktion durchgeführt werden soll.

    Möchten Sie den Untersuchungsbereich bei Durchführung einer Kurvendiskussion mit der Maus verändern, so klicken Sie in den rechteckig umrahmten Mausfangbereich einer Bereichsmarkierung und bewegen den Mauscursor bei gedrückt gehaltener Maustaste nach links oder nach rechts (je schmaler der Bereich gewählt wird, desto exakter sind die resultierenden Berechnungsergebnissee).
     

  6. Um Zusammenhänge mit Hilfe von Simulationen zu analysieren, bedienen Sie die Schaltfläche Simulation. Vor dem Start einer Simulation wird Ihnen ein Formular zur Verfügung gestellt, auf welchem Sie die zu simulierende Größe durch eine Aktivierung des entsprechenden Kontrollschalters festlegen. Hierauf können Sie ggf. den Wert für die Schrittweite bzw. die Anzahl zu verwendender Winkelschritte einstellen. Bestätigen Sie mit Ok. Beendet werden kann die Ausführung einer derartigen Simulation wieder durch eine erneute Betätigung dieser Schaltfläche. Sie trägt nun die Bezeichnung Sim. Stop.

Bei der Durchführung einer Kurvendiskussion werden angezeigt:
 

  • Nullstellen der ermittelten Funktion (N: Nullstelle)

  • Extrema der ermittelten Funktion (H: Hochpunkt ; T: Tiefpunkt)

  • Wendepunkte der ermittelten Funktion (W: Wendepunkt)

Beachten Sie:

Nicht für alle gegebenen Bedingungen existieren eindeutige Lösungen. Wird keine Lösung gefunden, so wird dies angezeigt.

 

Bedienformular

 

MathProf - Interpolation - Ganzrationale


Auf dem Bedienformular, welches durch Anklicken im obersten schmalen Bereich und bei Gedrückthalten der linken Maustaste verschiebbar ist, können Sie u.a. durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung der entsprechenden Kontrollkästchen folgende zusätzliche Einstellungen vornehmen:

  • Punkte: Beschriftung der definierten Punkte ein-/ausschalten
  • Koordinaten (linksseitig): Darstellung der Koordinatenwerte definierter Punkte ein-/ausschalten
  • Beschriftung: Beschriftung der durch Kurvendiskussion ermittelten Punkte ein-/ausschalten
  • Koordinaten (rechtsseitig): Darstellung der Koordinatenwertangaben, der durch Kurvendiskussion ermittelten Punkte ein-/ausschalten

Allgemein

 

Allgemeines zum Handling des Programms bzgl. der Darstellung zweidimensionaler Grafiken wird unter Zweidimensionale Grafiken - Handling beschrieben. Wie Sie das Layout einer 2D-Darstellung konfigurieren können, erfahren Sie unter Layoutkonfiguration. Methoden zur Implementierung und zum Umgang mit grafischen Objekten werden unter Implementierung und Verwendung grafischer Objekte behandelt.

 

Weitere Themenbereiche

 

Mathematische Funktionen I

Interpolation nach Newton und Lagrange

Kurvendiskussion

 

Beispiel

 

Es ist eine ganzrationale Interpolationsfunktion bestimmen zu lassen, welche durch die Punkte P1 (-5 / 4), P2 (3 / 3), P3 (1 / 2) und P4 (4 / -1) verläuft.

 

Vorgehensweise und Lösung:

 

Durch die Festlegung des Grades der auszugebenden Funktion (mittels der Bedienung des Steuerelements Funktionsgrad) auf den Wert 3 sowie eine Definition der Stützstellenpunkte P1 - P4 nach einer Bedienung der Schaltfläche Punkte, ermittelt das Programm die Koeffizienten a3 - a0 der Funktion. In diesem Fall wird die gesuchte ganzrationale Funktion beschrieben durch die Gleichung:

 

f(x) = -0,17824·x³-0,07407·x²+3,11343·x-0,861111

 

mit den Koefizienten a3 = -0,17824, a2 = -0,07407, a1 = 3,11343 und a0 = -0,861111.

 

Werden zudem die Kontrollkästchen Nullstellen, Extrema und Wendepunkte aktiviert, so führt das Programm eine Kurvendiskussion mit der Funktion f(x) durch und ermittelt für den voreingestellten Untersuchungsbereich -10 x 10:

 

Die o.a. ganzrationale Funktion f(x) besitzt innerhalb des festgelegten Untersuchungsbereichs:

 

Nullstellen: N (-4,518 / 0) N (0,28 / 0) N (3,823 / 0)
Extrema: HP (2,278 / 3,74) TP (-2,555 / -6,327)  
Wendepunkt: W (-0,139 / -1,293)    

 

Module zum Themenbereich Analysis


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