MathProf - Kurvendiskussion (Differentialrechnung) - Interaktiv

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MathProf 5.0 - Mathematik interaktiv

 

Kurvendiskussion (Differentialrechnung) - Interaktiv

 

Im Programmteil [Analysis] - [Kurvendiskussion] - Kurvendiskussion - Interaktiv wird die interaktive Durchführung von Analysen zur Bestimmung von Nullstellen, Extrema und Wendepunkten und weiterer Eigenschaften mathematischer Funktionen in expliziter Form ermöglicht.

 

MathProf - Funktion - Ableitung


Das Programm untersucht hierbei derartige Funktionen auf folgende Punkte und Eigenschaften:

  • Nullstellen
  • Pole
  • Extrema (Hoch- und Tiefpunkte)
  • Wendepunkte

Grafisch darstellen lassen sich:

  • Die zu untersuchende Funktion f(x,p)
  • 1. Ableitung f'(x,p) der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • 2. Ableitung f''(x,p) der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • 3. Ableitung f'''(x,p) der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • Polstellen der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • Tangenten in Nullstellen, Extrema und Wendepunkten der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • Normalen in Nullstellen, Extrema und Wendepunkten der zu untersuchenden Funktion f(x,p)
  • Krümmungskreise durch Nullstellen und Extrema der zu untersuchenden Funktion f(x,p)

Nullstellen sind Punkte, in welchen eine Funktion die Re-Achse schneidet bzw. berührt. Extrema (Hochpunkte und Tiefpunkte) sind Punkte einer Kurve, bei welchen eine Funktion lokale Maxima bzw. Minima besitzt. In Wendepunkten liegt eine Änderung der Art der Kurvenkrümmung vor, d.h. eine Kurve geht von einer Links- in eine Rechtskurve, oder umgekehrt, über. Pole sind Definitionslücken besonderer Art. Nähert man sich einer Stelle dieser Art, so strebt der Funktionswert an dieser Stelle gegen plus unendlich oder gegen minus unendlich.

 

Darstellung

 

MathProf - Wendepunkte - Extrema

 

MathProf - Nullstelle - Hochpunkt - Tiefpunkt


Führen Sie eine interaktive Kurvendiskussion folgendermaßen durch:

  1. Definieren Sie die Funktion, gemäß den geltenden Syntaxregeln, im Eingabefeld mit der Bezeichnung f(x,p) =.
     
  2. Bedienen Sie die Schaltfläche Darstellen.
     
  3. Bestimmen Sie den zu analysierenden Bereich, indem Sie in die entsprechenden, rechteckig umrahmten Mausfangbereiche klicken und bewegen Sie den Mauscursor bei gedrückt gehaltener Maustaste nach links oder nach rechts (je schmaler der Bereich gewählt wird, desto exakter sind die resultierenden Berechnungsergebnisse).
     
  4. Wählen Sie auf dem Bedienformular durch eine Aktivierung des entsprechenden Kontrollkästchens Nullstellen, Extrema, Wendepunkte, Pole aus, ob ermittelte Nullstellen, Extrema, Wendepunkte bzw. Pole der Funktion angezeigt werden sollen.
     
  5. Legen Sie durch die Aktivierung/Deaktivierung der Kontrollkästchen 1. Ableitung, 2. Ableitung, 3. Ableitung fest, ob die Darstellung der 1. Ableitung, 2. Ableitung oder 3. Ableitung der Funktion ausgegeben werden soll.
     
  6. Möchten Sie sich ggf. die Tangenten oder Normalen, die durch Hoch-, Tief- und Wendepunkte der Funktion verlaufen, zeigen lassen, so aktivieren Sie hierfür das entsprechende Kontrollkästchen Tangenten bzw. Normalen. Um sich Krümmungskreise darstellen zu lassen, die durch Nullstellen oder Extrema verlaufen, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Krümmungskreise.
     
  7. Sollen die Bereichsgrenzen zur Untersuchung der Funktion mit der Maus verändert werden, so klicken Sie mit der linken Maustaste in den rechteckig umrahmten Mausfangbereich und bewegen den Mauscursor bei gedrückt gehaltener Maustaste nach links oder nach rechts.
     
  8. Enthält der Funktionsterm das Einzelzeichen P, so legen Sie, wie unter Verwendung von Funktionsparametern beschrieben, nach einer Bedienung des Schalters Parameter P den zu durchlaufenden Wertebereich für diesen Funktionsparameter, sowie die zu verwendende Schrittweite, fest. Positionieren Sie hierauf den Schieberegler Parameter P, um den Einfluss des Parameters P zu untersuchen.
     
  9. Möchten Sie Analysen mit Hilfe von Simulationen durchführen, so wählen Sie durch Aktivierung des entsprechenden Kontrollschalters Bereich oder Parameter P die Art der Simulation die Sie durchführen lassen möchten.

    Um den Bereich simulativ verändern, oder eine automatisch ablaufende Parameterwertsimulation durchführen zu lassen, klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation. Vor Ausführung der Simulation zur Änderung des Untersuchungsbereichs wird Ihnen ein Formular zur Verfügung gestellt. Beendet werden kann die Ausführung dieser wieder durch eine erneute Betätigung derselben Schaltfläche. Sie trägt nun die Bezeichnung Sim. Stop.

Prinzipielles


Nicht in jedem Fall ist eine eindeutige Bestimmung aller evtl. vorhandener Punkte innerhalb des gewählten Untersuchungsbereichs einer Kurve möglich. Somit kann es vorkommen, dass insbesondere Nullstellen und Wendepunkte nicht ermittelt werden können. Dies kann u.a. bei der Analyse von Kurven auftreten, bei welchen sich viele eng beieinander liegende Stellen dieser Art befinden. Auch kann dies bei der Analyse von Kurven auftreten, bei welchen an einer Nullstelle kein Vorzeichenwechsel stattfindet.

Um Krümmungskreise nicht oval (ellipsenförmig) dargestellt zu bekommen, wählen Sie bei Ausgabe der grafischen Darstellung den Menüpunkt Einstellungen - Auflösung - Skalierungsart - Linear.

Es werden folgende Bezeichnungskürzel verwendet:

N Nullstelle
HP Hochpunkt
TP Tiefpunkt
W Wendepunkt
KM Mittelpunkt des Krümmungskreises

 

Bedienformular

 

Wurde zur Durchführung einer Kurvendiskussion eine Funktion definiert, die kein Einzelzeichen P zur Definition eines Funktionsparameters enthält, so wird bei Ausgabe einer grafischen Darstellung nachfolgend gezeigtes Bedienformular zur Verfügung gestellt.
 

MathProf - Kurvendiskussion - Ableitung

Wurde zur Durchführung einer Kurvendiskussion eine Funktion definiert, die das Einzelzeichen P zur Definition eines Funktionsparameters enthält, so wird bei Ausgabe einer grafischen Darstellung das nachfolgend gezeigte Bedienformular eingeblendet.

 

MathProf - Hochpunkt - Ableitung


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 beschriften: Beschriftung ermittelter Nullstellen, Extrema, Wendepunkte und Kreismittelpunkte ein-/ausschalten
  • Koordinaten: Anzeige der Koordinatenwerte ermittelter Nullstellen, Extrema, Wendepunkte und Kreismittelpunkte ein-/ausschalten
  • Bereichsmark.: Untersuchungsbereichsmarkierung 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

 

Kurvendiskussion

Mathematische Funktionen II

Tangente – Normale

Tangente – Sekante

 

Beispiel


Es gilt, die Funktion f(x) = cos(x/10)²+3·sin(x/3) innerhalb eines Bereichs -10 x 10 auf Nullstellen, Extrema und Wendepunkte untersuchen zu lassen.

Vorgehensweise und Lösung:

Definieren Sie den Funktionsterm COS(X/10)^2+3*SIN(X/3) im Eingabefeld und bedienen Sie die Schaltfläche Darstellen. Nach einer Aktivierung der Kontrollkästchen Nullstellen, Extrema und Wendepunkte auf dem Bedienformular ermittelt das Programm:

Die Funktion besitzt innerhalb des gewählten Untersuchungsbereichs:

Nullstellen: N1 (-9,041 / 0) N2 (-1,009 / 0) N3 (9,741 / 0)
Extrema: T (-4,964 / -2,216) H (4,478 / 3,803)  
Wendepunkte: W1 (-9,482 / 0,398) W2 (-0,18 / 0,82) W3 (9,371 / 0,404)


Nach einer Aktivierung des Kontrollkästchens Krümmungskreise (sowie einer Aktivierung des Menüeintrags Einstellungen - Auflösung - Skalierungsart - Linear) und der Durchführung einer Darstellungsbereichsvergößerung kann entnommen werden, dass die Kurve Krümmungskreise mit folgenden Eigenschaften besitzt:

Krümmungskreis durch Nullstelle N1: Mittelpunkt KM1 (25,09 / 38,15), Radius r = 51,19

Krümmungskreis durch Nullstelle N2: Mittelpunkt KM2 (-21,586 / 21,345), Radius r = 29,649

Krümmungskreis durch Nullstelle N3: Mittelpunkt KM3 (65,643 / 51,408), Radius r = 75,946

 

Krümmungskreis durch Tiefpunkt TP: Mittelpunkt KM4 (-4,964 / 0,897), Radius r = 3,113

Krümmungskreis durch Hochpunkt HP: Mittelpunkt KM5 (4,478 / 0,903), Radius r = 2,9

 

Um weitere Eigenschaftsdetails (z.B. Tangenten, Normalen) der Kurve in den ermittelten Punkten zu erfahren, markieren Sie den sich im Eingabefeld befindenden Funktionsterm, kopieren ihn in die Zwischenablage (mit Tastenkombination Strg-C), öffnen das Unterprogramm Kurvendiskussion positionieren den Mauscursor in das Eingabefeld, verwenden die Tastenkombination Strg-V um den Funktionsterm in das Eingabefeld zu übernehmen und bedienen die dort vorhandene Schaltfläche Berechnen.

 

Klicken Sie den entsprechenden Eintrag in einer obig positionierten Tabelle an, so werden weitere Informationen zu den Eigenschaften dieser Kurve in den entsprechenden Punkten in der unten angeordneten Tabelle ausgegeben.
 

Module zum Themenbereich Analysis


Mathematische Funktionen I - Mathematische Funktionen II - Funktionen in Parameterform - Funktionen in Polarform - Segmentweise definierte Funktionen - Kurvenscharen - Funktionsparameteranalyse - Funktionswertetabellen - Iteration - Parameter der Sinus- und Cosinusfunktion - Parameter der Logarithmusfunktion - Parameter der Betragsfunktion - Parameter der Integer-Funktion - Parameter der Quadratwurzelfunktion - Parameter der Potenzfunktion - Parameter der Exponentialfunktion - Kubische Funktion in allgemeiner Form - Kubische Funktion in spezieller Form -Zahlenfolgen - Zahlenfolgen - Interaktiv - Rekursive Zahlenfolgen - Rekursive Zahlenfolgen - Interaktiv - Rekursive Zahlenfolgen - Interaktiv - Arithmetische und geometrische Zahlenfolgen - Parabelgleichungen - Parabelgleichungen - Interaktiv - Parabel und Gerade - Interaktiv - Analyse quadratischer Funktionen - Ermittlung ganzrationaler Funktionen - Ganzrationale Funktionen (Polynome) - Ganzrationale Funktionen (Polynome) - Interaktiv - Gebrochenrationale Funktionen - Gebrochenrationale Funktionen - Interaktiv - Interpolation nach Newton und Lagrange - Interpolation ganzrationaler Funktionen - Polynomregression - Nullstellen - Iterationsverfahren - Nullstellen - Iterationsverfahren - Horner-Schema - Tangente - Normale - Tangente - Sekante - Tangente und Normale von externem Punkt - Kurvendiskussion - Kurvendiskussion - Interaktiv - Obersummen und Untersummen - Obersummen und Untersummen - Interaktiv - Integrationsmethoden - Rotationsparaboloid (3D) - Integral - Integral - Interaktiv - Zykloide - Hypozykloide - Epizykloide - Sternkurven - Zissoide - Strophoide - Kartesisches Blatt - Semikubische Parabel - Archimedische Spirale - Logarithmische Spirale - Fourier-Summen - Fourier-Reihen - Taylorreihen und Potenzreihen - Implizite Funktionen


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