Schwerpunktfach · Lerngebiet 3 · Funktionen · 55 Lektionen

3.1 Grundlagen

Funktionen im Schwerpunktfach sind keine neuen Objekte, sondern bekannte aus einer höheren Perspektive: Diese Seite baut den Werkzeugkasten auf, mit dem du jede elementare Funktion behandelst — Graph und Gleichung ineinander übersetzen, Schnittpunkte berechnen, Gleichungen und Ungleichungen am Graphen ablesen, Extremwertaufgaben lösen und Graphen mit Transformationen verschieben, spiegeln und strecken. Die Kapitel 3.2 bis 3.5 wenden genau diese Werkzeuge auf die einzelnen Funktionsklassen an.

📋 Kompetenzen nach RLP 2030 — Teilgebiet 3.1
  • aus der Gleichung einer elementaren Funktion den Graphen skizzieren und aus dem Graphen einer elementaren Funktion seine Funktionsgleichung bestimmen auch ohne Hilfsmittel
  • Schnittpunkte von Funktionsgraphen grafisch bestimmen und berechnen
  • Gleichungen und Ungleichungen mithilfe von Funktionen visualisieren und interpretieren
  • Extremwertaufgaben lösen
  • Funktionstransformationen (Verschiebungen, Spiegelungen, Streckungen/Stauchungen) algebraisch und grafisch durchführen, Parameter interpretieren
🎯 Lernziele — das kann ich nach dieser Seite
  • Ich kann die Graphen der elementaren Funktionen (\(x\), \(x^2\), \(x^3\), \(\sqrt{x}\), \(\tfrac{1}{x}\), \(a^x\), \(\log_a x\), \(\sin x\)) ohne Hilfsmittel skizzieren und am Graphen erkennen.
  • Ich kann die Wirkung der Parameter in \(y = a \cdot f(x-u) + v\) beschreiben und aus einem transformierten Graphen die Gleichung rekonstruieren.
  • Ich kann Schnittpunkte zweier Funktionsgraphen durch Gleichsetzen berechnen und grafisch kontrollieren.
  • Ich kann eine Gleichung \(f(x) = g(x)\) als Schnittstellen-Frage und eine Ungleichung \(f(x) > g(x)\) als «Kurve oberhalb»-Frage deuten und die Lösungsmenge als Intervall angeben.
  • Ich kann Extremwertaufgaben mit Zielfunktion und Nebenbedingung aufstellen und über die Scheitelform oder grafisch lösen.
  • Ich kann begründen, ob eine Gleichung genau eine, mehrere oder keine Lösung hat (Monotonie-Argument am Graphen).

Einstieg — ein Drohnenflug über der Leitung

Eine Drohne steigt auf, fliegt einen Bogen und landet wieder. Ihre Flughöhe folgt näherungsweise der Parabel

\[ h(t) = -0.5\,t^2 + 6\,t \qquad [h \text{ in m},\ t \text{ in min}] \]

Quer durch das Fluggebiet verläuft eine Hochspannungsleitung auf \(16\) m Höhe. Drei Fragen — ein Graph: Wie hoch steigt die Drohne maximal? Wann kreuzt sie die Leitungshöhe? In welchem Zeitraum fliegt sie über der Leitung?

🚁 Drohnenflug: \(h(t) = -0.5\,t^2 + 6\,t\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Der Hochpunkt \((6 \mid 18)\) beantwortet die Extremwert-Frage, die Schnittpunkte \(t = 4\) und \(t = 8\) die Gleichung \(h(t) = 16\), und das Intervall \(4 < t < 8\) dazwischen die Ungleichung \(h(t) > 16\) — drei Werkzeuge an einem Graphen.

Leitungshöhe 16 m rot gestrichelt · Hochpunkt grün · Kreuzungspunkte rot

3.0 min
Auswertung und Lage
h(3.0) = 13.50 m — unterhalb der Leitung
📘 Was sehen wir?

Ein einziger Graph beantwortet drei verschiedene Fragetypen:

  • Extremwert: Der Hochpunkt \((6 \mid 18)\) — die maximale Flughöhe beträgt \(18\) m.
  • Gleichung \(h(t) = 16\): Die Schnittstellen mit der Horizontalen — \(t_1 = 4\) und \(t_2 = 8\).
  • Ungleichung \(h(t) > 16\): Der Bereich, in dem die Kurve oberhalb der Linie liegt — das Intervall \(4 < t < 8\).
✏️ Mini-Check — Einstieg
Multiple Choice

Was bedeutet die Lösungsmenge der Ungleichung \(h(t) > 16\) am Graphen?

  • Die Kurve schneidet dort die \(t\)-Achse.
  • Die Kurve verläuft dort oberhalb der Geraden \(y = 16\).
  • Die Kurve hat dort ihren Hochpunkt.
Lösung anzeigen
B. «Grösser als» heisst grafisch «liegt oberhalb» — zwischen den beiden Schnittstellen.
Lückentext

Die Gleichung \(h(t) = 16\) grafisch lösen heisst: die des Graphen von \(h\) mit der horizontalen Geraden \(y = 16\) bestimmen.

Lösung anzeigen
Schnittstellen (Schnittpunkte) — hier \(t_1 = 4\) und \(t_2 = 8\).
Kurze Rechnung

Berechne die Flughöhe nach \(2\) Minuten.

Lösung anzeigen
\(h(2) = -0.5 \cdot 4 + 12 = 10\) m.
Transfer

Löse \(h(t) = 16\) algebraisch und vergleiche mit dem Graphen.

Lösungsweg anzeigen
\(-0.5t^2 + 6t = 16 \;\Leftrightarrow\; t^2 - 12t + 32 = 0 \;\Leftrightarrow\; t = \dfrac{12 \pm \sqrt{144 - 128}}{2} = \dfrac{12 \pm 4}{2}\), also \(t_1 = 4\), \(t_2 = 8\) — genau die Kreuzungspunkte im Bild.

Definition — elementare Funktionen

Der Funktionsbegriff selbst (eindeutige Zuordnung, Definitions- und Wertemenge, Funktionsgraph) ist aus dem Grundlagenfach bekannt — siehe ↩ 3.1 Grundlagen Funktionen (Grundlagenfach). Neu ist der systematische Blick auf die Familie der Grundfunktionen:

📘 Elementare Funktionen

Als elementare Funktionen bezeichnen wir die Grundfunktionen

\[ x,\quad x^2,\quad x^3,\quad \sqrt{x},\quad \frac{1}{x},\quad a^x,\quad \log_a x,\quad \sin x,\ \cos x \]

sowie alles, was durch Transformationen (Verschieben, Spiegeln, Strecken) und einfache Verknüpfungen daraus entsteht. Wer die Grundgraphen und ihre Kenndaten (Definitionsmenge, markante Punkte, Asymptoten) kennt, kann jede transformierte Variante ohne Wertetabelle skizzieren.

💡 Die Detailkapitel

Jede Funktionsklasse hat ihre eigene Seite: ↩ 3.2a Potenzfunktionen · ↩ 3.2b Wurzelfunktionen · ↩ 3.3 Polynomfunktionen · ↩ 3.4a Exponentialfunktionen · ↩ 3.4b Logarithmusfunktionen · ↩ 3.5 Trigonometrische Funktionen. Hier geht es um die gemeinsamen Werkzeuge.

Die Grundgraphen im Steckbrief

Klicke dich durch die acht Grundfunktionen — Graph und Steckbrief gehören zusammen. Diese Bilder solltest du auswendig skizzieren können:

Grundfunktionen-Galerie

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Jede Grundfunktion hat ein unverwechselbares Profil: Parabel und Wurzel sind Umkehrbilder, Hyperbel und Logarithmus schmiegen sich an Asymptoten, Sinus wiederholt sich. Wer die acht Profile kennt, erkennt jede transformierte Version wieder.

Acht Grundfunktionen · markante Punkte rot · Steckbrief unter dem Graphen

Definitionsmenge
Wertemenge
Markante Punkte
Besonderes
✏️ Mini-Check — Grundgraphen
Multiple Choice

Welche Grundfunktion hat die Definitionsmenge \(D = \mathbb{R}_0^+\)?

  • \(y = \sqrt{x}\)
  • \(y = \dfrac{1}{x}\)
  • \(y = x^3\)
Lösung anzeigen
A. Der Radikand darf nicht negativ sein. \(\tfrac{1}{x}\) hat \(D = \mathbb{R} \setminus \{0\}\), \(x^3\) ganz \(\mathbb{R}\).
Lückentext

Die Graphen von \(y = x^2\) (auf \(\mathbb{R}_0^+\)) und \(y = \sqrt{x}\) gehen durch Spiegelung an der auseinander hervor.

Lösung anzeigen
Winkelhalbierenden \(y = x\) — sie sind Umkehrfunktionen voneinander.
Kurze Rechnung

Durch welche zwei markanten Punkte läuft jede Exponentialkurve \(y = a^x\), und durch welchen jede Logarithmuskurve?

Lösung anzeigen
\(a^x\): durch \((0 \mid 1)\) und \((1 \mid a)\); \(\log_a x\): durch \((1 \mid 0)\).
Transfer

Ein Graph läuft durch \((1 \mid 1)\), existiert nur für \(x \neq 0\) und schmiegt sich an beide Koordinatenachsen. Welche Grundfunktion ist es — und woran hast du sie erkannt?

Lösungsweg anzeigen
\(y = \tfrac{1}{x}\) — Definitionslücke bei \(0\) plus beide Achsen als Asymptoten gibt es nur bei der Hyperbel. Der Punkt \((1 \mid 1)\) bestätigt: \(\tfrac{1}{1} = 1\).

Transformationen — ein Schema für alle Funktionen

📘 Transformationen: \(y = a \cdot f(x-u) + v\)

Aus jeder Grundfunktion \(f\) entsteht durch die Parameter \(a\), \(u\), \(v\) eine ganze Familie:

ParameterWirkung auf den Graphen von \(y = f(x)\)
\(u\)Verschiebung um \(u\) in \(x\)-Richtung (nach rechts für \(u > 0\))
\(v\)Verschiebung um \(v\) in \(y\)-Richtung (nach oben für \(v > 0\))
\(|a|\)Streckung (\(|a| > 1\)) bzw. Stauchung (\(|a| < 1\)) in \(y\)-Richtung
\(a < 0\)zusätzlich Spiegelung an der \(x\)-Achse

Die Ersetzung \(x \to -x\) spiegelt an der \(y\)-Achse: \(y = f(-x)\). Markante Punkte und Asymptoten wandern bei allen Transformationen mit.

Transformations-Labor: \(y = a \cdot f(x-u) + v\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Das Schema ist universell: \(|a|\) streckt vertikal, negatives \(a\) klappt die Kurve an der \(x\)-Achse um, dann schieben \(u\) und \(v\) alles um \(u\) in \(x\)-Richtung und um \(v\) in \(y\)-Richtung. Der Ankerpunkt \((x_0 \mid y_0)\) landet bei \((x_0 + u \mid a\,y_0 + v)\) — bei \(x^2\), \(\sqrt{x}\) und \(\sin x\) also genau bei \((u \mid v)\). Genau so entstanden Scheitelform, verschobene Hyperbeln und die allgemeine Sinusfunktion in 3.2–3.5.

Grundfunktion grau gestrichelt · transformierte Kurve violett · Ankerpunkt grün

1
0
0
Funktionsgleichung
y = x²
⚠ Häufiger Fehler: \((x - 3)\) verschiebt nach links?

Nein — nach rechts! \(y = f(x-3)\) nimmt an der Stelle \(x = 3\) den Wert \(f(0)\) an: Alles passiert \(3\) Einheiten später. Kontrolle über einen markanten Punkt: Der Scheitel von \((x-3)^2\) liegt bei \(x = 3\), nicht bei \(-3\).

✏️ Mini-Check — Transformationen
Multiple Choice

Wie geht der Graph von \(y = -\sqrt{x} + 2\) aus dem Graphen von \(y = \sqrt{x}\) hervor?

  • Spiegelung an der \(x\)-Achse, dann 2 nach oben
  • Spiegelung an der \(y\)-Achse, dann 2 nach rechts
  • Verschiebung um 2 nach unten
Lösung anzeigen
A. Das Minus vor der Wurzel spiegelt an der \(x\)-Achse (\(a = -1\)), das \(+2\) hebt um \(2\) an.
Lückentext

Der Graph von \(y = (x+4)^2 - 1\) ist die Normalparabel, um \(4\) nach und um \(1\) nach unten verschoben.

Lösung anzeigen
links — denn \(x + 4 = x - (-4)\), also \(u = -4\).
Kurze Rechnung

Gib die Gleichung der Normalparabel an, die um \(2\) nach rechts und \(5\) nach oben verschoben ist.

Lösung anzeigen
\(y = (x-2)^2 + 5\) — Scheitel \((2 \mid 5)\).
Transfer

Ein Graph sieht aus wie \(y = \tfrac{1}{x}\), hat aber die Asymptoten \(x = 2\) und \(y = -3\). Rekonstruiere die Funktionsgleichung.

Lösungsweg anzeigen
Die Asymptoten verraten die Verschiebung: \(u = 2\), \(v = -3\), also \(y = \dfrac{1}{x-2} - 3\) (Streckfaktor \(a\) wäre nur mit einem zusätzlichen Kurvenpunkt bestimmbar).

Schnittpunkte, Un-/Gleichungen und Extremwerte

📘 Schnittpunkte zweier Graphen

Ein Punkt liegt auf beiden Graphen, wenn beide Funktionen dort denselben Wert haben. Rechnerisch:

\[ f(x) = g(x) \quad\xrightarrow{\ \text{lösen}\ }\quad \text{Schnittstellen } x_i \quad\xrightarrow{\ \text{einsetzen}\ }\quad S_i = \bigl(x_i \mid f(x_i)\bigr) \]

Gleichsetzen → lösen → einsetzen. Grafisch: die Kreuzungspunkte der beiden Kurven.

🟢 Beispiel 1 — Gerade schneidet Parabel

Bestimme die Schnittpunkte von \(f(x) = x^2 - 1\) und \(g(x) = x + 1\).

Lösung: Gleichsetzen und ordnen:

\[ x^2 - 1 = x + 1 \;\Longrightarrow\; x^2 - x - 2 = 0 \;\Longrightarrow\; (x+1)(x-2) = 0 \]

Schnittstellen \(x_1 = -1\), \(x_2 = 2\); Einsetzen in \(g\): \(S_1 = (-1 \mid 0)\), \(S_2 = (2 \mid 3)\).

📘 Gleichungen und Ungleichungen am Graphen
AlgebraBild am GraphenLösungsmenge
\(f(x) = g(x)\)Kurven kreuzen sicheinzelne Schnittstellen
\(f(x) > g(x)\)Kurve von \(f\) liegt oberhalbIntervalle zwischen bzw. ausserhalb der Schnittstellen
\(f(x) = 0\)Kurve schneidet die \(x\)-AchseNullstellen

Die Schnittstellen zerlegen die \(x\)-Achse in Abschnitte; in jedem Abschnitt liegt eine Kurve durchgehend oben. Ein Testwert pro Abschnitt entscheidet.

🟢 Beispiel 2 — Ungleichung grafisch lösen

Für welche \(x\) gilt \(x^2 - 1 > x + 1\)?

Lösung: Die Schnittstellen aus Beispiel 1 sind \(-1\) und \(2\). Testwert \(x = 0\) dazwischen: \(0^2 - 1 = -1 < 1 = 0 + 1\) — dort liegt die Parabel unterhalb. Also liegt sie aussen oberhalb:

\[ L = \{x \mid x < -1 \ \vee\ x > 2\} \]
🟢 Beispiel 3 — Gleichung grafisch lösen (mit Monotonie-Argument)

Löse \(2^x = 3 - x\).

Lösung: Mit elementaren Umformungen lässt sich die Gleichung nicht nach \(x\) auflösen (die Unbekannte steht im Exponenten und linear) — eine Lösung gibt es aber. Grafisch: \(y = 2^x\) ist streng steigend, \(y = 3 - x\) streng fallend — die Kurven schneiden sich höchstens einmal. Probieren liefert den Treffer exakt:

\[ x = 1:\quad 2^1 = 2 = 3 - 1 \quad\checkmark \qquad\Longrightarrow\qquad L = \{1\} \]

Ungleichungs-Labor: \(x^2 + c \;\gtrless\; x + 1\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Die Schnittstellen zerlegen die \(x\)-Achse. Weil die Parabel nach oben öffnet, liegt sie ausserhalb der beiden Schnittstellen oberhalb der Geraden — dort ist \(f > g\). Verschwinden die Schnittstellen (Parabel ganz oben), gilt \(f > g\) für alle \(x\); im Berührfall für alle ausser dem einen Punkt. Das Gleichheitszeichen ändert nur die Ränder: bei \(\geq\) und \(\leq\) gehören die Schnittstellen dazu, die Klammer dreht sich nach innen. Im Berührfall macht genau das den Unterschied zwischen \(L = \mathbb{R}\) (bei \(\geq\)) und \(L = \{0.5\}\) (bei \(\leq\)).

Parabel \(f(x)=x^2+c\) violett; Gerade \(g(x)=x+1\) blau; Schnittstellen rot; Lösung grün auf der \(x\)-Achse, bemasst mit ihrer Intervallschreibweise

−1.00
Lösungsmenge
L = { x | x < −1 ∨ x > 2 }
📘 Extremwertaufgaben — die Strategie
  1. Zielgrösse festlegen: Was soll maximal/minimal werden? (Fläche, Kosten, …)
  2. Nebenbedingung aufschreiben: Welche Einschränkung verbindet die Variablen?
  3. Nebenbedingung einsetzen → Zielfunktion mit einer Variablen (sinnvollen Definitionsmenge angeben!).
  4. Extremum bestimmen: Bei quadratischer Zielfunktion über die Scheitelform; sonst grafisch oder mit Wertetabelle.
🟢 Beispiel 4 — Zaun am Fluss

Mit \(60\) m Zaun soll am geraden Flussufer eine rechteckige Weide abgesteckt werden — die Flussseite braucht keinen Zaun. Welche Masse maximieren die Fläche?

Lösung: Zielgrösse \(A = x \cdot y\) (Breite \(x\) senkrecht zum Fluss). Nebenbedingung: \(2x + y = 60\), also \(y = 60 - 2x\). Einsetzen (\(0 < x < 30\)):

\[ A(x) = x(60 - 2x) = -2x^2 + 60x = -2(x - 15)^2 + 450 \]

Scheitel bei \(x = 15\): Breite \(15\) m, Länge \(y = 30\) m, maximale Fläche \(A = 450\ \text{m}^2\).

Weide am Fluss — Rechteck und Zielfunktion gekoppelt

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Die Nebenbedingung \(2x + y = 60\) macht die Länge \(y = 60 - 2x\) von \(x\) abhängig, sodass \(A(x) = -2x^2 + 60x\) nur noch von einer Variablen abhängt. Ihr Scheitel bei \(x = 15\) liefert das Maximum \(450\ \text{m}^2\) — dort ist \(y = 30\), also gerade doppelt so lang wie breit.

Links die Weide am Fluss; rechts die Zielfunktion \(A(x)\); Maximum grün

15
Masse und Fläche
x = 15 m, y = 30 m, A = 450 m²
⚠ Häufiger Fehler — Randpunkte und Definitionsmenge vergessen

Bei Ungleichungen gehören die Schnittstellen selbst nur bei \(\geq\)/\(\leq\) zur Lösungsmenge. Und bei Extremwertaufgaben muss die Lösung im sinnvollen Bereich liegen: Eine «optimale Breite» von \(-5\) m oder ausserhalb der Nebenbedingung ist keine Lösung — Definitionsmenge immer mitdenken.

💡 Strategie — grafisch zuerst, algebraisch danach

Eine schnelle Skizze zeigt, wie viele Lösungen zu erwarten sind und wo ungefähr sie liegen — das schützt vor verlorenen Lösungen und Rechenfehlern. Danach liefert die Algebra die exakten Werte. Bei monotonen Funktionen (nur steigend oder nur fallend) gibt es höchstens einen Schnittpunkt.

✏️ Mini-Check — Schnittpunkte, Ungleichungen, Extremwerte
Multiple Choice

Wie berechnet man die Schnittpunkte zweier Funktionsgraphen?

  • Beide Funktionen null setzen
  • Die Funktionsterme gleichsetzen und die Gleichung lösen
  • Die Funktionsterme addieren
Lösung anzeigen
B. \(f(x) = g(x)\) lösen, dann die Schnittstellen in eine der beiden Funktionen einsetzen.
Lückentext

Bei einer Extremwertaufgabe verbindet die die beiden Variablen, sodass die Zielfunktion nur noch von einer Variablen abhängt.

Lösung anzeigen
Nebenbedingung — z.B. der feste Zaunumfang beim Weide-Beispiel.
Kurze Rechnung

Bestimme den Schnittpunkt der Geraden \(y = 2x - 3\) und \(y = -x + 6\).

Lösung anzeigen
\(2x - 3 = -x + 6 \Rightarrow 3x = 9 \Rightarrow x = 3\), \(y = 3\): \(S = (3 \mid 3)\).
Transfer

Warum kann die Gleichung \(3^x = -2 + x\) keine Lösung mit \(x \leq 2\) haben — und wie sieht man am Graphen, ob es überhaupt eine gibt?

Lösungsweg anzeigen
Für \(x \leq 2\) ist die rechte Seite \(x - 2 \leq 0\), aber \(3^x > 0\) — kein Schnitt möglich. Am Graphen: \(3^x\) wächst ab \(x = 2\) viel schneller als die Gerade \(y = x - 2\) und liegt dort bereits oberhalb (\(9 > 0\)) — die Kurven schneiden sich nie, \(L = \{\,\}\).

Aufgaben

🟠 A1Transformation am Graphen erkennen

Wähle einen Graphen und entscheide, welche Funktionsgleichung dazu passt — alle vier sind transformierte Normalparabeln.

A1 · Transformation am Graphen erkennen
💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Der Scheitel verrät die Verschiebung, das Vorzeichen vor \(x^2\) die Öffnung. Die Klammer wirkt waagrecht und gegenläufig — \((x-2)^2\) schiebt nach rechts, \((x+2)^2\) nach links. Ein Summand ausserhalb der Klammer wirkt senkrecht und gleichsinnig. Diese beiden Regeln gelten für jede Funktionsklasse dieses Kapitels, nicht nur für die Parabel.

Welche Gleichung gehört zum angezeigten Graphen?

🟠 A2Graphen skizzieren

Skizziere die folgenden Graphen von Hand: Grundfunktion erkennen, Ankerpunkt verschieben, Kurve zeichnen. Vergleiche danach mit der Lösung.

  1. \(y = (x-1)^2 - 4\)
  2. \(y = -\sqrt{x+2} + 1\)
  3. \(y = 2^{\,x-1}\)
🟢 Lösung
  1. Blau: Normalparabel mit Scheitel \((1 \mid -4)\); Nullstellen bei \(x = -1\) und \(x = 3\).
  2. Grün: Wurzelkurve, an der \(x\)-Achse gespiegelt, Startpunkt \((-2 \mid 1)\); Nullstelle bei \(x = -1\), \(D = [-2;\, \infty[\).
  3. Violett: Exponentialkurve, um \(1\) nach rechts verschoben — läuft durch \((1 \mid 1)\) und \((2 \mid 2)\), Asymptote \(y = 0\).
🟠 A3Rechnen mit dem Werkzeugkasten
🟠 a) Schnittpunkte Gerade–Parabel

Bestimme die Schnittstellen von \(f(x) = x^2 - 1\) und \(g(x) = x + 1\).

🟢 Lösung
\[ x^2 - 1 = x + 1 \;\Longrightarrow\; x^2 - x - 2 = 0 \;\Longrightarrow\; x_1 = -1,\quad x_2 = 2 \]

Schnittpunkte: \(S_1 = (-1 \mid 0)\) und \(S_2 = (2 \mid 3)\).

🟠 b) Schnittpunkt zweier Geraden

Bestimme den Schnittpunkt von \(y = 2x - 3\) und \(y = -x + 6\).

🟢 Lösung

\(2x - 3 = -x + 6 \Rightarrow 3x = 9 \Rightarrow x = 3\); einsetzen: \(y = 2 \cdot 3 - 3 = 3\). Schnittpunkt \(S = (3 \mid 3)\).

🟠 c) Scheitel ablesen

Gib den Scheitelpunkt \(S = (x_S \mid y_S)\) von \(y = 2(x-3)^2 - 5\) an.

🟢 Lösung

Die Form \(a(x-u)^2 + v\) zeigt die Verschiebung direkt: \(S = (3 \mid -5)\). Der Faktor \(2\) streckt die Parabel, ändert aber den Scheitel nicht.

🟠 d) Nullstellen einer transformierten Funktion

Bestimme die Nullstellen von \(y = (x-1)^2 - 4\).

🟢 Lösung
\[ (x-1)^2 = 4 \;\Longrightarrow\; x - 1 = \pm 2 \;\Longrightarrow\; x_1 = -1,\quad x_2 = 3 \]
🟠 e) Ungleichung interpretieren

Für welche \(x\) gilt \(x^2 - 1 > x + 1\)? Gib die Grenze des rechten Lösungsintervalls an.

🟢 Lösung

Schnittstellen \(-1\) und \(2\) (Teilaufgabe a). Testwert \(x = 0\): Parabel unterhalb. Also gilt die Ungleichung aussen: \(L = \{x \mid x < -1 \ \vee\ x > 2\}\) — das rechte Intervall beginnt bei \(x = 2\) (offen, da strikt «grösser»).

🟠 A4Weide am Fluss

Mit \(60\) m Zaun wird am geraden Flussufer eine rechteckige Weide abgesteckt; die Flussseite bleibt offen. Die Breite senkrecht zum Fluss sei \(x\).

  1. Stelle die Zielfunktion \(A(x)\) auf (Nebenbedingung: \(2x + y = 60\)).
  2. Bestimme die optimale Breite \(x\) über die Scheitelform.
  3. Gib die maximale Fläche an.
🟢 Lösung
  1. \(y = 60 - 2x\), also \(A(x) = x(60 - 2x) = -2x^2 + 60x\) mit \(0 < x < 30\).
  2. Quadratische Ergänzung: \(A(x) = -2x^2 + 60x = -2(x^2 - 30x) = -2\bigl((x-15)^2 - 225\bigr) = -2(x-15)^2 + 450\) — Scheitel bei \(x = 15\) m (Länge \(y = 30\) m).
  3. \(A_{\max} = 450\ \text{m}^2\). Kontrolle mit Nachbarwerten: \(A(10) = A(20) = 400 < 450\) ✓
🟠 A5Zwei Service-Angebote

Für die Wartung einer Maschine liegen zwei Offerten vor (\(x\): Anzahl Serviceeinsätze pro Jahr, Kosten in CHF):

\[ K_A(x) = 80 + 40x \qquad\qquad K_B(x) = 200 + 25x \]
  1. Ab wie vielen Einsätzen ist Angebot B günstiger? Löse grafisch und rechnerisch.
  2. Interpretiere: Was bedeuten Schnittpunkt, «oberhalb» und «unterhalb» hier konkret?
🟢 Lösung
  1. \(80 + 40x = 200 + 25x \Rightarrow 15x = 120 \Rightarrow x = 8\) (beide \(400\) CHF). Für \(x > 8\) ist B günstiger — die Gerade von B verläuft dort unterhalb.
  2. Der Schnittpunkt \((8 \mid 400)\) ist der «Break-even»: Bei genau \(8\) Einsätzen kosten beide gleich viel. «\(K_B\) unterhalb \(K_A\)» heisst: B ist günstiger — die Ungleichung \(K_B(x) < K_A(x)\) hat die Lösungsmenge \(x > 8\).
🟠 A6Grafisch lösen mit Monotonie-Argument

Betrachte die Gleichung \(2^x = 3 - x\).

  1. Skizziere beide Graphen und lies die Lösung ab.
  2. Begründe mit dem Kurvenverlauf, dass es genau eine Lösung gibt.
  3. Bestätige die Lösung durch Einsetzen.
🟢 Lösung
  1. Die Exponentialkurve und die fallende Gerade kreuzen sich bei \(x = 1\).
  2. \(2^x\) ist streng steigend, \(3 - x\) streng fallend — zwei solche Kurven schneiden sich höchstens einmal. Da links (\(x = 0\): \(1 < 3\)) die Gerade oben liegt und rechts (\(x = 2\): \(4 > 1\)) die Exponentialkurve, gibt es genau einen Schnitt.
  3. \(2^1 = 2 = 3 - 1\) ✓ — also \(L = \{1\}\).
🟠 A7Rechteck unter der Parabel Vertiefung

Einem Parabelbogen \(y = 12 - x^2\) (für \(0 \leq x \leq \sqrt{12}\)) wird ein Rechteck einbeschrieben: Ecken in \((0 \mid 0)\), \((x \mid 0)\), \((x \mid 12 - x^2)\) und \((0 \mid 12 - x^2)\).

  1. Stelle die Zielfunktion \(A(x)\) für den Flächeninhalt auf.
  2. Werte \(A(x)\) für \(x = 1,\ 1.5,\ 2,\ 2.5,\ 3\) aus und lies das Maximum näherungsweise ab.
  3. Warum hilft die Scheitelform hier nicht weiter — und welches Werkzeug bräuchte es für die exakte Lösung?
🟢 Lösung
  1. \(A(x) = x \cdot (12 - x^2) = 12x - x^3\) mit \(0 < x < \sqrt{12}\).
  2. \(A(1) = 11\), \(A(1.5) \approx 14.63\), \(A(2) = 16\), \(A(2.5) \approx 14.38\), \(A(3) = 9\) — das Maximum liegt bei \(x = 2\) mit \(A = 16\).
  3. \(A(x)\) ist eine Polynomfunktion dritten Grades — quadratische Ergänzung greift nicht. Exakt findet man das Maximum mit der Differenzialrechnung (Analysis); bis dahin liefern Wertetabelle und Graph eine verlässliche Näherung. (Sie trifft hier sogar exakt: \(x = 2\).)

Zusammenfassung

⭐ Merksatz

Der Werkzeugkasten für alle Funktionsklassen: Grundgraphen auswendig kennen und mit \(y = a \cdot f(x-u) + v\) verschieben, spiegeln und strecken — markante Punkte und Asymptoten wandern mit. Schnittpunkte durch Gleichsetzen, Gleichungen als Schnittstellen-Frage, Ungleichungen als «Kurve oberhalb»-Frage mit Intervall-Lösungen, Extremwertaufgaben über Zielfunktion + Nebenbedingung und die Scheitelform. Die Skizze zuerst — sie verrät Anzahl und Lage der Lösungen.

AufgabeVerfahrenGrafisches Bild
Graph skizzierenGrundfunktion + Transformation \(a \cdot f(x-u) + v\)Ankerpunkt nach \((u \mid v)\) schieben
Gleichung bestimmenGrundform erkennen, Parameter aus markanten PunktenScheitel, Asymptoten, Schnitt mit Achsen ablesen
Schnittpunktegleichsetzen → lösen → einsetzenKreuzungspunkte der Kurven
Ungleichung \(f > g\)Schnittstellen + Testwert je AbschnittBereiche, wo \(f\) oberhalb liegt
ExtremwertaufgabeZielfunktion + Nebenbedingung → ScheitelformHoch-/Tiefpunkt der Zielfunktion

Clips

Clips zu den Animationen — was jede Animation zeigt

Anim
Anim
Anim
Anim
Anim
Anim
Transkripte — der gesprochene Text zum Mitlesen

Drohnenflug: Hochpunkt, Schnittstellen, Intervall

  1. 0:00Eine Drohne fliegt einen Bogen, ihre Höhe folgt einer Parabel. Eine Leitung hängt auf sechzehn Meter. Wie hoch steigt die Drohne, und wann ist sie über der Leitung?
  2. 0:10Nach vier Minuten ist die Drohne genau auf Leitungshöhe, nach acht Minuten wieder. Die Schnittstellen vier und acht lösen die Gleichung h von t gleich sechzehn.
  3. 0:19Nach sechs Minuten ist die Drohne am höchsten Punkt, auf achtzehn Metern. Sechs liegt genau in der Mitte zwischen vier und acht.
  4. 0:29Nach sieben Minuten fliegt die Drohne auf siebzehn Komma fünf Metern, also über der Leitung. Das gilt zwischen vier und acht Minuten, nach zehn Minuten ist sie wieder darunter.
  5. 0:39Merke: Der Hochpunkt beantwortet die Frage nach dem Extremwert, die Schnittstellen lösen die Gleichung, und das Intervall dazwischen löst die Ungleichung. Grösser als heisst am Graphen: oberhalb.

Grundfunktionen: jede hat ihr eigenes Profil

  1. 0:00Acht Grundfunktionen, acht Graphen. Man erkennt sie an drei Dingen: wo sie definiert sind, durch welche Punkte sie laufen und ob sie sich an eine Asymptote schmiegen.
  2. 0:10Die Wurzel gibt es erst ab null. Sie beginnt im Ursprung und läuft durch eins eins. Sie ist das Umkehrbild der Parabel: zwei im Quadrat ist vier, die Wurzel aus vier ist zwei.
  3. 0:21Den Logarithmus gibt es nur für positive x. Nahe der y-Achse fällt er steil ab, die Achse ist seine Asymptote. Er läuft durch eins null und durch e eins.
  4. 0:31Der Sinus ist eine Welle zwischen minus eins und eins. Er hat Nullstellen bei minus pi, null und pi, und nach zwei pi wiederholt sich alles.
  5. 0:41Merke: Definitionsmenge, markante Punkte und Asymptoten ergeben für jede Grundfunktion ein eigenes Profil. Wer es kennt, erkennt die Funktion auch verschoben wieder.

Transformationen: ein Schema für alle Grundfunktionen

  1. 0:00Aus jeder Grundfunktion f wird mit a, u und v eine ganze Familie. Verfolgen wir den grünen Ankerpunkt: Wirkt die Transformation bei jeder Funktion gleich?
  2. 0:10Mit a gleich minus eins klappt die Parabel an der x-Achse nach unten. Der Scheitel im Ursprung bleibt liegen, denn minus eins mal null ist null.
  3. 0:20Mit u gleich zwei und v gleich eins wandert der Scheitel zwei nach rechts und eins nach oben, also nach zwei eins. Minus zwei in der Klammer schiebt nach rechts.
  4. 0:29Jetzt dieselben Werte bei der Hyperbel. Die Lücke wandert von null nach zwei, der Ankerpunkt von eins eins nach drei zwei: Die Verschiebung wirkt genau gleich.
  5. 0:39Merke: a streckt und klappt die Kurve um, u und v verschieben sie, und zwar bei jeder Grundfunktion gleich. Und x minus zwei in der Klammer schiebt nach rechts.

Ungleichung am Graphen: die Schnittstellen zerlegen die Achse

  1. 0:00Eine Parabel, die sich mit c verschieben lässt, und eine feste Gerade. Für welche x liegt die Parabel über der Geraden, und was ändert ein Gleichheitszeichen?
  2. 0:09Mit c gleich minus eins schneiden sich die Kurven bei minus eins und bei zwei. Die Parabel öffnet nach oben, also liegt sie links und rechts ausserhalb über der Geraden.
  3. 0:20Bei grösser gleich bleiben dieselben Bereiche grün. Nur die Ränder minus eins und zwei gehören jetzt dazu, die Klammern drehen sich nach innen.
  4. 0:30Bei c gleich eins Komma zwei fünf berührt die Parabel die Gerade nur noch bei null Komma fünf. Kleiner gleich gilt nur dort. Grösser gleich gilt überall, denn ein Quadrat ist nie negativ.
  5. 0:41Merke: Die Schnittstellen zerlegen die x-Achse, und in jedem Abschnitt liegt eine Kurve oben. Das Gleichheitszeichen entscheidet nur, ob die Ränder dazugehören.

Weide am Fluss: die grösste Fläche liegt im Scheitel

  1. 0:00Mit sechzig Meter Zaun wird am Fluss eine rechteckige Weide abgesteckt, die Flussseite braucht keinen Zaun. Also ist y gleich sechzig minus zwei x, und die Fläche hängt nur noch von x ab.
  2. 0:11Bei fünf Meter Breite bleiben für die Länge fünfzig Meter. Die Fläche ist zweihundertfünfzig Quadratmeter.
  3. 0:19Bei fünfzehn Meter Breite ist die Länge dreissig Meter und die Fläche vierhundertfünfzig Quadratmeter. Der Punkt steht im Scheitel, die Weide ist doppelt so lang wie breit.
  4. 0:29Bei fünfundzwanzig Meter Breite bleiben nur zehn Meter Länge, wieder zweihundertfünfzig Quadratmeter. Die Kurve ist symmetrisch zu fünfzehn.
  5. 0:39Merke: Die Nebenbedingung macht aus zwei Variablen eine. Der Scheitel der Zielfunktion liefert das Maximum. Und die Breite muss zwischen null und dreissig Metern liegen.

Transformation erkennen: erst der Scheitel, dann die Öffnung

  1. 0:00In Aufgabe A1 ordnest du vier verschobene Normalparabeln ihren Gleichungen zu. Das Vorgehen: zuerst den Scheitel suchen, dann die Öffnung prüfen.
  2. 0:10Graph eins hat seinen Scheitel bei zwei auf der x-Achse und öffnet nach oben. Also y gleich x minus zwei im Quadrat. Probe: Bei null ist der Wert vier.
  3. 0:20Graph vier sieht gleich aus, nur liegt der Scheitel bei minus zwei. In der Klammer steht plus zwei, und das schiebt nach links.
  4. 0:28Graph drei hat den Scheitel bei null zwei auf der y-Achse und öffnet nach unten. Das Minus vor x Quadrat klappt die Parabel um, und plus zwei hebt sie gleichsinnig an.
  5. 0:38Merke: Die Zahl in der Klammer verschiebt waagrecht und gegenläufig, der Summand aussen senkrecht und gleichsinnig. Ein Minus davor öffnet die Parabel nach unten.

Zusatzmaterial

Materialien zum Mitnehmen, Üben und Wiederholen. Druckseiten öffnen in neuem Tab.

Externe Videos & Aufgabensammlungen

🎬 Erklärvideos (Playlists)
📝 Aufgabensammlungen