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Ableiten von trigonometrischen Funktionen BF

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- 5 \cdot \cos (4 x + 5) - 5$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- 5 \cdot \cos (4 x + 5) - 5$

$f'(x) =$ $5 \cdot \sin (4 x + 5) \cdot (4 + 0) + 0$

= $5 \cdot \sin (4 x + 5) \cdot (4)$

= $20 \cdot \sin (4 x + 5)$

Ableiten von trigonometrischen Funktionen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- 2 x \cdot \sin (- x)$

$f'(x) =$ $- 2 \cdot 1 \cdot \sin (- x) - 2 x \cdot \cos (- x) \cdot (- 1)$

= $- 2 \cdot \sin (- x) - 2 x \cdot (- \cos (- x))$

= $- 2 \cdot \sin (- x) + 2 x \cdot \cos (- x)$

Integral über trigon. Funktion

Beispiel:

Bestimme das Integral $\int_{0}^{π} - 4 \cdot \cos (- 4 x) ⅆ x$ .

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\int_{0}^{π} - 4 \cdot \cos (- 4 x) ⅆ x

= ${[\sin (- 4 x)]}_{0}^{π}$

$=$ $\sin (- 4 \cdot π) - \sin (- 4 \cdot (0))$

= $0 - 0$

= 0

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn. BF (einfach)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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=0 in y-Richtung verschoben ist.

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

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

Der gesuchte Hochpunkt ist bei sin(x) nach einem Viertel der Periode,
also bei x₁= $\frac{1}{4} π$ ≈ $\frac{1}{4} π$ . .

Die Funktion schwingt wegen d=0 um y=0. Der y-Wert des Hochpunkt ist also eine Amplitude (a=1) über 0, also bei y=1.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Hochpunkt bei ( $\frac{1}{4} π$ |1)

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn. BF

Beispiel:

Bestimme die Wendepunkte des Graphen von f mit $f(x) =$ $- \cos (x) + 1$ im Intervall [0; $4 π$ ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=cos(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)=cos(x) um d=1 in y-Richtung verschoben ist.

Der erste Hochpunkt wäre also im Punkt P(0|1).

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

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

Der gesuchte Wendepunkt ist bei cos(x) nach einem Viertel und nach Dreiviertel der Periode,
also bei x₁= $\frac{1}{2} π$ ≈ $\frac{1}{2} π$ . und bei x₂= $\frac{3}{2} π$ ≈ $\frac{3}{2} π$ . .

Weil das gesuchte Interval [0; $4 π$ ) zwei Perioden umfasst, ist auch noch $\frac{1}{2} π + 2 π$ = $\frac{5}{2} π$ und $\frac{3}{2} π + 2 π$ = $\frac{7}{2} π$ eine Lösung.

Die Funktion schwingt wegen d=1 um y=1. Der y-Wert des Wendepunkt ist also gerade 1.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Wendepunkt bei ( $\frac{1}{2} π$ |1) und einen bei ( $\frac{3}{2} π$ |1) und einen bei ( $\frac{5}{2} π$ |1) und einen bei ( $\frac{7}{2} π$ |1)

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn (LF)

Beispiel:

Bestimme die Tiefpunkte des Graphen von f mit $f(x) =$ $\cos (\frac{3}{4} (x + 2 π)) - 3$ im Intervall [0; $\frac{8}{3} π$ ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=cos(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)=cos(x) um d=-3 in y-Richtung und um c= $- 2 π$ nach rechts verschoben ist.

Der erste Hochpunkt wäre also im Punkt P( $- 2 π$ |-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 cos(x) nach der Hälfte der Periode,
also bei x₁= $- 2 π$ + $\frac{4}{3} π$ ≈ $- \frac{2}{3} π$ .
Weil diese Stelle aber negativ ist, müssen wir noch (mindestens) eine Periode dazu addieren, damit der x-Wert im gesuchten Intervall [0; $\frac{8}{3} π$ ) liegt,
also x₁= $- \frac{2}{3} π + \frac{8}{3} π$ ≈ $2 π$ .

Die Funktion schwingt wegen d=-3 um y=-3. Der y-Wert des Tiefpunkt ist also eine Amplitude (a=1) unter -3, also bei y=-4.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Tiefpunkt bei ( $2 π$ |-4)

Nullstellen mit dem WTR

Beispiel:

Bestimme mit Hilfe eines Taschenrechners alle Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $- \cos (\frac{1}{4} x) - 0,6$ innerhalb einer Periode, also im Intervall [0; $8 π$ [.

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

Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

- \cos (\frac{1}{4} x) - 0,6

= 0 |

+ 0,6

- \cos (\frac{1}{4} x)

=

0,6

|:

- 1

\cos (\frac{1}{4} x)

=

- 0,6

|cos^-1(⋅)

Der WTR liefert nun als Wert 2.2142974355882

1. Fall:

$\frac{1}{4} x$	=	$2,214$	\|⋅ 4
x₁	=	$8,856$

Am Einheitskreis erkennen wir, dass die Gleichung $\cos (\frac{1}{4} x)$ = $- 0,6$ noch eine weitere Lösung hat. (die senkrechte turkise Gerade x=-0.6 schneidet den Einheitskreis in einem zweiten Punkt).

Am Einheitskreis erkennen wir auch, dass die andere Lösung einfach (nach unten gespiegelt) bei - $2,214$
bzw. bei - $2,214$ +2π= $4,069$ liegen muss.

2. Fall:

$\frac{1}{4} x$	=	$4,069$	\|⋅ 4
x₂	=	$16,276$

L={ $8,856$ ; $16,276$ }

Die Nullstellen in der Periode [0; $8 π$ ) sind also
bei x₁ = $8,856$ und x₂ = $16,276$ .

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 $f(t) =$ $15 \cdot \sin (\frac{2}{3} π t) + 80$ (0 < t ≤ 3) angeben.

Bestimme die Periode dieses Vorgangs.
Wie lange (in Sekunden) ist die Wasserhöhe höher als 87,5cm?
Zu welcher Zeit (in s) ist die Wasserhöhe am höchsten?

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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

t-Werte mit f(t) ≥ 87.5

Um das gesuchte Intervall zu bestimmen, müssen wir erst die Stellen bestimmen, an denen der Funktionswert unserer Sinus-Funktion gerade den Wert 87.5 hat. Wir setzen also den Funktionsterm mit 87.5 gleich:

$15 \cdot \sin (\frac{2}{3} π t) + 80$ = 87.5

15 \cdot \sin (2,0944 t) + 80

=

87,5

|

- 80

15 \cdot \sin (2,0944 t)

=

7,5

|:

15

\sin (2,0944 t)

=

0,5

|sin^-1(⋅)

Der WTR liefert nun als Wert 0.5235987755983

1. Fall:

$2,0944 x$	=	$\frac{5}{6} π$	\|: $2,0944$
x₁	=	$0,3979 π$

Am Einheitskreis erkennen wir, dass die Gleichung $\sin (2,0944 t)$ = $0,5$ noch eine weitere Lösung hat. (die waagrechte grüne Gerade y=0.5 schneidet den Einheitskreis in einem zweiten Punkt).

Am Einheitskreis erkennen wir auch, dass die andere Lösung an der y-Achse gespiegelt liegt, also π - $\frac{5}{6} π$ = $\frac{1}{6} π$ liegen muss.

2. Fall:

$2,0944 x$	=	$\frac{1}{6} π$	\|: $2,0944$
x₂	=	$0,0796 π$

Die Sinus-Funktion startet zu Beginn nach oben und erreicht erstmals nach 0.25 s den Wert 87.5. Danach steigt sie weiter bis zum Hochpunkt und sinkt dann wieder bis sie nach 1.25 s zum zweiten mal den Wert 87.5 erreicht. Während dieser 1.25 - 0.25 = 1 s ist der Wert der Funktion also höher als 87.5.

t-Wert des Maximums (HP)
Gesucht ist die Stelle mit dem höchsten Funktionswert, also der x- bzw- t-Wert des Hochpunkts. Dieser ist bei einer Sinusfunktion immer nach einer Viertel Periode (im Einheitskreis ist man nach einer Viertel-Umdrehung ganz oben bei y=1), hier also nach 0.75 s.

Die Lösung ist also: 0.75 s.

Parameter für best. Periode finden

Beispiel:

Für welchen Wert von a hat der Graph f_a mit $f_{a} (x) =$ $\cos (a π x)$ seinen ersten Wendepunkt mit positivem x-Wert, bei WP( $1$ |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 = $1$ |⋅ $4$

Demnach muss also die Periode p = $4$ ⋅ $1$ = $4$ lang sein.

Jetzt können wir die Periodenformel p = $\frac{2π}{b}$ also $4$ = $\frac{2π}{b}$ nach b auflösen:

4

=

\frac{2π}{b}

|⋅b :

4

b =

\frac{2 π}{4}

=

\frac{1}{2} π

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

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Ableiten von trigonometrischen Funktionen BF

Ableiten von trigonometrischen Funktionen

Integral über trigon. Funktion

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn. BF (einfach)

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn. BF

HP, TP oder WP bei trigon. Fktn (LF)

Nullstellen mit dem WTR

trigon. Anwendungsaufgabe 2

Parameter für best. Periode finden