Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Ableiten von trigonometrischen Funktionen

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- 4 x^{2} \cdot \sin (2 x)$ und vereinfache:

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$f(x) =$ $- 4 x^{2} \cdot \sin (2 x)$

$f'(x) =$ $- 4 \cdot 2 x \cdot \sin (2 x) - 4 x^{2} \cdot \cos (2 x) \cdot 2$

= $- 8 x \cdot \sin (2 x) - 4 x^{2} \cdot 2 \cdot \cos (2 x)$

= $- 8 x \cdot \sin (2 x) - 8 x^{2} \cdot \cos (2 x)$

Ableiten von trigonometrischen Funktionen BF

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- 5 x^{2} \cdot \cos (2 x)$ und vereinfache:

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$f(x) =$ $- 5 x^{2} \cdot \cos (2 x)$

$f'(x) =$ $- 5 \cdot 2 x \cdot \cos (2 x) - 5 x^{2} \cdot (- \sin (2 x) \cdot 2)$

= $- 10 x \cdot \cos (2 x) - 5 x^{2} \cdot (- 2 \cdot \sin (2 x))$

= $- 10 x \cdot \cos (2 x) + 10 x^{2} \cdot \sin (2 x)$

Integral über trigon. Funktion

Beispiel:

Bestimme das Integral $\int_{\frac{1}{2} π}^{π} 4 \cdot \sin (x) ⅆ x$ .

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\int_{\frac{1}{2} π}^{π} 4 \cdot \sin (x) ⅆ x

= ${[- 4 \cdot \cos (x)]}_{\frac{1}{2} π}^{π}$

$=$ $- 4 \cdot \cos (π) + 4 \cdot \cos (\frac{1}{2} π)$

= $- 4 \cdot (- 1) + 4 \cdot 0$

= $4 + 0$

= $4$

Extrempunkte bei trigon. Fktn. BF (einfach)

Beispiel:

Bestimme die Tiefpunkte des Graphen von f mit $f(x) =$ $\sin (\frac{3}{4} x) + 2$ im Intervall [0; $\frac{16}{3} π$ ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=sin(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=sin(x) um d=2 in y-Richtung verschoben ist.

Der erste steigender Wendepunkt wäre also im Punkt P(0|2).

Mit Hilfe von b= $\frac{3}{4}$ und der Periodenformel p= $\frac{2π}{b}$ erhalten wir als Periode:
p= $\frac{2π}{\frac{3}{4}}$ = $\frac{8}{3} π$

Der gesuchte Tiefpunkt ist bei sin(x) nach Dreiviertel der Periode,
also bei x₁= $2 π$ ≈ $2 π$ . .

Weil das gesuchte Interval [0; $\frac{16}{3} π$ ) zwei Perioden umfasst, ist auch noch $2 π + \frac{8}{3} π$ = $\frac{14}{3} π$ eine Lösung.

Die Funktion schwingt wegen d=2 um y=2. Der y-Wert des Tiefpunkt ist also eine Amplitude (a=1) unter 2, also bei y=1.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Tiefpunkt bei ( $2 π$ |1) und einen bei ( $\frac{14}{3} π$ |1)

Extrempunkte bei trigonometr. Fktn. BF

Beispiel:

Bestimme die Hochpunkte des Graphen von f mit $f(x) =$ $- \sin (\frac{1}{2} x) + 2$ im Intervall [0; $8 π$ ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=sin(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=sin(x) um d=2 in y-Richtung verschoben ist.

Der erste steigender Wendepunkt wäre also im Punkt P(0|2).

Weil aber das Vorzeichen von a = -1 aber negativ ist, wird die Original-funktion f(x)=sin(x) nicht nur um den Faktor 1 gestreckt sondern auch an der x-Achse gespiegelt, so dass aus dem steigender Wendepunkt in P ein fallender Wendepunkt in P(0|2) wird.

Mit Hilfe von b= $\frac{1}{2}$ und der Periodenformel p= $\frac{2π}{b}$ erhalten wir als Periode:
p= $\frac{2π}{\frac{1}{2}}$ = $4 π$

Der gesuchte Hochpunkt ist bei sin(x) nach einem Viertel der Periode, bei der durch das negative Vorzeichen an der x-Achse gespiegelte Funktion $- \sin (\frac{1}{2} (x + 0)) + 2$ aber nach Dreiviertel der Periode,
also bei x₁= $3 π$ ≈ $3 π$ . .

Weil das gesuchte Interval [0; $8 π$ ) zwei Perioden umfasst, ist auch noch $3 π + 4 π$ = $7 π$ eine Lösung.

Die Funktion schwingt wegen d=2 um y=2. Der y-Wert des Hochpunkt ist also eine Amplitude (a=1) über 2, also bei y=3.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Hochpunkt bei ( $3 π$ |3) und einen bei ( $7 π$ |3)

Extremstellen bei trigon. Fktn (LF)

Beispiel:

Bestimme die Hochpunkte des Graphen von f mit $f(x) =$ $3 \cdot \sin (\frac{3}{4} (x + \frac{2}{3} π)) - 1$ im Intervall [0; $\frac{16}{3} π$ ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=sin(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=sin(x) um d=-1 in y-Richtung und um c= $- \frac{2}{3} π$ nach rechts verschoben ist.

Der erste steigender Wendepunkt wäre also im Punkt P( $- \frac{2}{3} π$ |-1).

Mit Hilfe von b= $\frac{3}{4}$ und der Periodenformel p= $\frac{2π}{b}$ erhalten wir als Periode:
p= $\frac{2π}{\frac{3}{4}}$ = $\frac{8}{3} π$

Der gesuchte Hochpunkt ist bei sin(x) nach einem Viertel der Periode,
also bei x₁= $- \frac{2}{3} π$ + $\frac{2}{3} π$ ≈ 0. .

Weil das gesuchte Interval [0; $\frac{16}{3} π$ ) zwei Perioden umfasst, ist auch noch $0 + \frac{8}{3} π$ = $\frac{8}{3} π$ eine Lösung.

Die Funktion schwingt wegen d=-1 um y=-1. Der y-Wert des Hochpunkt ist also eine Amplitude (a=3) über -1, also bei y=2.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Hochpunkt bei (0|2) und bei ( $\frac{8}{3} π$ |2)

Nullstellen mit dem WTR

Beispiel:

Bestimme mit Hilfe eines Taschenrechners alle Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $3 \cdot \cos (2 x) + 1,2$ innerhalb einer Periode, also im Intervall [0; $π$ [.

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Um die Nullstellen zu erhalten, setzen wir einfach f(x)=0.

Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

3 \cdot \cos (2 x) + 1,2

= 0 |

- 1,2

3 \cdot \cos (2 x)

=

- 1,2

|:

3

\cos (2 x)

=

- 0,4

|cos^-1(⋅)

Der WTR liefert nun als Wert 1.9823131728624

1. Fall:

$2 x$	=	$1,982$	\|: $2$
x₁	=	$0,991$

Am Einheitskreis erkennen wir, dass die Gleichung $\cos (2 x)$ = $- 0,4$ noch eine weitere Lösung hat. (die senkrechte turkise Gerade x=-0.4 schneidet den Einheitskreis in einem zweiten Punkt).

Am Einheitskreis erkennen wir auch, dass die andere Lösung einfach (nach unten gespiegelt) bei - $1,982$
bzw. bei - $1,982$ +2π= $4,301$ liegen muss.

2. Fall:

$2 x$	=	$4,301$	\|: $2$
x₂	=	$2,1505$

L={ $0,991$ ; $2,1505$ }

Die Nullstellen in der Periode [0; $π$ ) sind also
bei x₁ = $0,991$ und x₂ = $2,1505$ .

trigon. Anwendungsaufgabe 2

Beispiel:

In einem Wellenbad kann man an einer bestimmten Stelle die Wasserhöhe zur Zeit t (in Sekunden) näherungsweise durch die Funktion f mit $f(t) =$ $15 \cdot \sin (\frac{2}{3} π t) + 95$ (0 < t ≤ 3) angeben.

Bestimme die Periode dieses Vorgangs.
Bestimme die maximale Wasserhöhe.

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Periodenlänge
Aus dem Funktionsterm können wir den Faktor b = $\frac{2}{3} π$ herauslesen und in die Periodenformel einsetzen:

Somit gilt für die Periodenlänge: p = $\frac{2 π}{b}$ = $\frac{2 π}{\frac{2}{3} π}$ = 3
y-Wert des Maximums (HP)
Gesucht ist der höchste Funktionswert. Aus dem Term kann man eine Verschiebung der Sinusfunktion um d = 95 nach oben und eine Amplitude von a = 15 erkennen, d.h. f schwingt um maximal 15 um 95. Somit ist der höchste Wert bei 95 cm + 15 cm = 110 cm.

Parameter für best. Periode finden

Beispiel:

Für welchen Wert von a hat der Graph f_a mit $f_{a} (x) =$ $- \cos (a x)$ seinen ersten Wendepunkt mit positivem x-Wert, bei WP( $\frac{1}{4} π$ |0), (also den Wendepunkt mit dem kleinsten positiven x-Wert)?

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Der Graph einer normalen Kosiniusfunktion hat ja seinen ersten Wendepunkt immmer nach einer $\frac{1}{4}$ Periode. Es gilt somit $\frac{1}{4}$ ⋅p = $\frac{1}{4} π$ |⋅ $4$

Demnach muss also die Periode p = $4$ ⋅ $\frac{1}{4} π$ = $π$ lang sein.

Jetzt können wir die Periodenformel p = $\frac{2π}{b}$ also $π$ = $\frac{2π}{b}$ nach b auflösen:

π

=

\frac{2π}{b}

|⋅b :

π

b =

\frac{2 π}{π}

=

\frac{2}{1}

Da bei $- \cos (a x)$ das b ja $a$ ist, muss also a = $2$ sein,
damit der Graph von $f_{2} (x) =$ $- \cos (2 \cdot x)$ seinen ersten Wendepunkt mit positivem x-Wert, bei WP( $\frac{1}{4} π$ |0) hat.

Aufgabenbeispiele von Trigonometrie

Ableiten von trigonometrischen Funktionen

Ableiten von trigonometrischen Funktionen BF

Integral über trigon. Funktion

Extrempunkte bei trigon. Fktn. BF (einfach)

Extrempunkte bei trigonometr. Fktn. BF

Extremstellen bei trigon. Fktn (LF)

Nullstellen mit dem WTR

trigon. Anwendungsaufgabe 2

Parameter für best. Periode finden