Ortlinie und Ortskurve bei Parabelscharen – Beispiele

Grundlagen zum Thema Ortlinie und Ortskurve bei Parabelscharen – Beispiele
Dieses Video beschäftigt sich ganz speziell mit den Ortslinien bzw. Ortskurven von Parabelscharen. Wie du weißt, liegen die Scheitelpunkte von Parabelscharen alle auf einer so genannten Ortskurve bzw. Ortslinie. Wir werden in diesem Übungsvideo gemeinsam und schrittweise zwei unterschiedliche Aufgaben lösen, in denen die Ortskurve einer Parabelschar grafisch und rechnersich bestimmt werden soll. Viel Spaß!
Ortlinie und Ortskurve bei Parabelscharen – Beispiele Übung
-
Gib den Scheitelpunkt der Parabelschar in Abhängigkeit von dem Parameter $t$ an und bestimme die Ortslinie.
TippsDer Scheitelpunkt einer Parabel ist je nach Öffnung der tiefste oder höchste Punkt der Parabel.
Für ein Extremum gilt
notwendig: Die erste Ableitung ist $0$, also $f'(x)=0$ und
hinreichend: Es gilt zusätzlich, dass die zweite Ableitung ungleich $0$ ist, also $f''(x)\neq 0$.
Für die Ableitung einer quadratischen Funktion verwendest du
- die Potenzregel: $(x^n)'=n\cdot x^{n-1}$,
- die Faktorregel: $(k\cdot f(x))'=k\cdot f'(x)$ sowie
- die Summenregel: $(f(x)\pm g(x))'=f'(x)\pm g'(x)$.
LösungZunächst wird diese Funktion zweimal abgeleitet:
- $g_t'(x)=-2x+2t$ sowie
- $g_t''(x)=-2\neq 0$. Es liegt also insbesondere ein Hochpunkt vor.
$g_t(t)=-t^2+2t\cdot t-t^2-t=t^2-2t^2-t^2-t=-t$.
Also ist der Scheitelpunkt $S(t|-t)$.
Jeder dieser Scheitelpunkte liegt auf der Ursprungsgeraden $y(x)=-x$.
-
Ermittle die Ortskurve der Scheitelpunkte.
TippsDie erste Ableitung muss $0$ sein. Dies führt zu der x-Koordinate des Scheitelpunktes.
Setze die x-Koordinate in der Funktionsgleichung ein. Dies führt zu der y-Koordinate des Scheitelpunktes.
Wird die x-Koordinate in der Ortskurve eingesetzt, muss dies zu der gleichen y-Koordinate führen.
LösungDie ersten beiden Ableitungen dieser Funktion sind
- $h_q'(x)=4x-3q$ sowie
- $h_q''(x)=4$.
Addition von $3q$ und anschließende Division durch $4$ führt zu $x=\frac34q$.
Die zweite Ableitung ist $h_q''(x)=4>0$. Es liegt also ein Tiefpunkt vor.
Nun kann $x=\frac34q$ in der Funktionsgleichung eingesetzt werden:
$h_q\left(\frac34q\right)=2\left(\frac34q\right)^2-3q\cdot \frac34q+q=-\frac98q^2+q$.
Damit ist jeder Scheitelpunkt gegeben durch
$S\left(\frac34q\big\vert-\frac98q^2+q\right)$.
Nun kann überprüft werden, ob jeder der Scheitelpunkte auf der Kurve
$i(x)=-2x^2+\frac43x$
liegt. Hierfür wird $x=\frac34q$ in dieser Gleichung eingesetzt:
$i\left(\frac34q\right)=-2\left(\frac34q\right)^2+\frac43\cdot \frac34q=-\frac98q^2+q$ $~~~~~$ ✓.
-
Bestimme die Scheitelpunkte der Funktion.
TippsDie erste Ableitung von $k_b(x)$ ist
$k_b'(x)=4x-4b$.
Hier siehst du den ersten Schritt des Einsetzens von $b$ in der Funktionsgleichung $k_b(x)$.
LösungDie Verschiebung einer Parabel kann man sich gut an dem Scheitelpunkt klarmachen.
Wie kann man den Scheitelpunkt einer Parabel bestimmen: Der Scheitelpunkt ist der Extrempunkt der Parabel.
- Also muss $k_b'(x)=4x-4b=0$ sein. Dies führt zu $x=b$.
- Die zweite Ableitung $k_b''(x)=4>0$, also liegt ein Tiefpunkt vor.
- Einsetzen von $x=b$ in der Funktionsgleichung führt zu $y=k_b(b)=2b^2-4b^2+3=-2b^2+3$.
Ausgehend von der Normalparabel ist diese Parabel
- um $b$ Einheiten entlang der x-Achse und
- um $-2b^2+3$ entlang der y-Achse verschoben.
- Zusätzlich ist die Parabel um den Faktor $2$ gestreckt.
-
Leite die Ortskurve der Scheitelpunkte her.
TippsEigentlich kannst du die Ortskurve auch direkt ablesen.
Beachte: Die y-Koordinate muss in Abhängigkeit von $x$ dargestellt werden.
LösungWenn man die Scheitelpunkte einer Parabelschar kennt und diese sowohl in der x- als auch in der y-Koordinate von dem Parameter (hier $b$) abhängen, kann man die zugehörige Ortskurve, auf welcher alle Scheitelpunkte der Parabelschar liegen, bestimmen. Dabei geht man wie folgt vor:
- Man formt die x-Koordinate nach dem Parameter um. Also gilt hier $b=x$.
- Dann setzt man diesen Parameter in der y-Koordinate ein: $y=-2x^2+3$.
- Dies ist dann die gesuchte Ortskurve: $y(x)=-2x^2+3$.
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Beschreibe die Bedeutung der Paramater $a$, $b$ sowie $c$.
TippsVon oben nach unten lauten die Funktionsgleichungen
- $f(x)=x^2-6x+11$
- $f(x)=x^2-6x+9$
- $f(x)=x^2-6x+8$
Die blaue Parabel gehört zu $a=1$, die grüne zu $a=\frac12$ und die gelbe zu $a=2$.
LösungDie allgemeine Darstellung einer quadratischen Funktion lautet
$f(x)=ax^2+bx+c$.
Wenn jeder Parameter durch eine Zahl ersetzt wird, erhält man eine spezielle quadratische Funktion mit der zugehörigen Parabel.
Wenn allerdings mindestens ein Parameter erhalten bleibt, spricht man von einer Parabelschar, da zu jedem Wert für diesen Parameter eine Parabel gehört. Es gibt also unendlich viele Parabeln in Abhängigkeit von dem Parameter.
Wenn zum Beispiel der Parameter $b$ noch frei gewählt werden kann, liegen alle Scheitelpunkte auf einer Ortslinie oder Ortskurve.
Der Streckfaktor $a$:
- Für $a>1$ wird die Parabel gestreckt und für $0<a<1$ gestaucht.
- Ist $a$ negativ, so wird die Parabel gespiegelt.
Mit Hilfe von $b$ kann die x-Koordinate des Scheitelpunktes einer Parabel bestimmt werden. Das bedeutet, dass die Parabel sowohl entlang der x- als auch der y-Achse verschoben wird.
Der Parameter $c$:
... bewirkt ausschließlich eine Verschiebung entlang der y-Achse. Wenn man in der Funktionsgleichung $x=0$ einsetzt, erhält man $f(0)=c$. An dieser Stelle schneidet die Parabel also die y-Achse.
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Ermittle die Ortskurve der Scheitelpunkte der Parabelschar.
TippsDie beiden Ableitungen sind
- $f_t'(x)=4x+4t$ sowie
- $f_t''(x)=4$.
Die x-Koordinate des Scheitelpunktes lautet $x=-t$.
Setze dies in der Funktionsgleichung ein. So erhältst du die y-Koordinate.
Forme die x-Koordinate des Scheitelpunktes nach $t$ um und setze dieses $t$ in der y-Koordinate ein.
Die Scheitelpunkte der Parabelschar sind gegeben durch $S(-t|-2t^2+t)$.
LösungZur Bestimmung der Scheitelpunkte benötigt man die ersten beiden Ableitungen:
- $f_t'(x)=4x+4t$ sowie
- $f_t''(x)=4$.
Nun wird dieser Term für $x$ in der Funktionsgleichung eingesetzt. So erhält man die y-Koordinate des Scheitelpunktes.
$y=2(-t)^2+4t\cdot(-t)+t=2t^2-4t^2+t=-2t^2+t$.
Die Scheitelpunkte der Parabelschar sind gegeben durch
$S(-t|-2t^2+t)$.
- Die x-Koordinate wird nach $t$ umgeformt. Dies führt zu $t=-x$.
- Dieses $t$ wird in der y-Koordinate eingesetzt:
Dies ist die gesuchte Ortskurve.
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Bei 2:57 müsste die erste Ableitung von g(x) nicht g'(x)= -2x+4t sein?
Gutes Video, hat mir sehr geholfen !