MathematikKlasse 11–13

Funktionenscharen

Ein Parameter, unendlich viele Graphen. Wohin wandern die Hochpunkte, wenn k wächst? Auf einer eigenen Kurve, der Ortskurve.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Eine Funktionenschar fasst unendlich viele Funktionen zusammen, die sich nur in einem Parameter kk unterscheiden, zum Beispiel fk(x)=x3−kxf_k(x) = x^3 - kx. Für jedes kk erhält man einen eigenen Graphen. Beim Ableiten wird kk wie eine feste Zahl behandelt: fk′(x)=3x2−kf_k'(x) = 3x^2 - k, fk′′(x)=6xf_k''(x) = 6x.

  • Fallunterscheidung: Für welche kk gibt es Extrempunkte? fk′(x)=0  ⟺  x2=k3f_k'(x) = 0 \iff x^2 = \frac{k}{3}. Für k<0k < 0 hat das keine Lösung (fkf_k ist streng monoton steigend), für k=0k = 0 gibt es den Terrassenpunkt (0∣0)(0 \mid 0), für k>0k > 0 einen Hoch- und einen Tiefpunkt bei x=±k3x = \pm\sqrt{\frac{k}{3}}.
  • Ortskurve: Auf welcher Kurve wandern die Extrempunkte, wenn kk sich ändert? Man bestimmt den Extrempunkt in Abhängigkeit von kk, löst die xx-Koordinate nach kk auf (x2=k3⇒k=3x2x^2 = \frac{k}{3} \Rightarrow k = 3x^2) und setzt in die yy-Koordinate ein: y=x3−3x2⋅x=−2x3y = x^3 - 3x^2 \cdot x = -2x^3. Der Punkt (0∣0)(0 \mid 0) gehört nicht dazu, er ist für k=0k = 0 kein Extrempunkt: Ortskurve y=−2x3y = -2x^3 mit x≠0x \neq 0.
  • Gemeinsame Punkte: Aus fk1(x)=fk2(x)f_{k_1}(x) = f_{k_2}(x) für k1≠k2k_1 \neq k_2 folgt hier (k2−k1)⋅x=0(k_2 - k_1) \cdot x = 0, also x=0x = 0 und der Punkt (0∣0)(0 \mid 0). Es kann auch keinen gemeinsamen Punkt geben: Bei fk(x)=(x−k)⋅exf_k(x) = (x - k) \cdot e^x ist fk1(x)−fk2(x)=(k2−k1)⋅exf_{k_1}(x) - f_{k_2}(x) = (k_2 - k_1) \cdot e^x nie null. Bei x⋅e−kxx \cdot e^{-kx} und kx2−x4kx^2 - x^4 berühren sich alle Kurven im Ursprung, weil dort alle dieselbe Steigung haben.
  • Wendepunkte wandern ebenfalls auf einer Ortskurve. Bei fk(x)=x⋅e−kxf_k(x) = x \cdot e^{-kx} ist fk′′(x)=k⋅(kx−2)⋅e−kxf_k''(x) = k \cdot (kx - 2) \cdot e^{-kx}, also W(2k∣2k⋅e2)W\left(\frac{2}{k} \mid \frac{2}{k \cdot e^2}\right) auf der Geraden y=xe2y = \frac{x}{e^2}.

In der Simulation sind die Extrempunkte rote Perlen: Ändert sich kk, gleiten sie auf ihrer Ortskurve und hinterlassen eine leuchtende Spur. Der k-Strahl unter dem Bild zeigt die Fallunterscheidung; mit ▶ läuft kk von selbst. Die Karte „Ortskurve“ führt in vier Schritten durch die Herleitung.

Ausprobieren

  1. x³ − kx: Ziehe den Hochpunkt (rote Perle). Auf welcher Kurve gleitet er, und was passiert mit kk?
  2. Drücke „k durchlaufen lassen“ oder ▶ auf dem k-Strahl. Wann verschwinden die Extrempunkte? Achte auf die hervorgehobene Zeile in der Fallunterscheidung.
  3. Herleitung von vorn: Drücke mehrmals „Herleitung: nächster Schritt“. Im Bild erscheinen zuerst xEx_E und yEy_E, dann die Probe für kk, zuletzt wächst die Ortskurve.
  4. Parabelschar: Alle Parabeln gehen durch einen Punkt. Welchen? Tippe blasse Kurven an, um zu anderen kk zu springen.
  5. x · e^(−kx): Was passiert mit dem Extrempunkt, wenn kk negativ wird? Und bei k=0k = 0?
  6. kx² − x⁴: Ziehe den Punkt auf dem k-Strahl über k=0k = 0. Wie ändert sich die Form?
  7. Wendepunkte: Lass kk laufen. Welche Spur hinterlassen Extrem- und Wendepunkte?
  8. (x − k) · eˣ: Warum haben diese Kurven keinen gemeinsamen Punkt?

Aufgaben

Aufgabe 1: Extrempunkte in Abhängigkeit von k

Bestimme die Extrempunkte von fk(x)=x2−2kx+kf_k(x) = x^2 - 2kx + k und die Ortskurve. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

fk′(x)=2x−2k=0⇒x=kf_k'(x) = 2x - 2k = 0 \Rightarrow x = k, fk′′(x)=2>0f_k''(x) = 2 > 0, fk(k)=k2−2k2+k=k−k2f_k(k) = k^2 - 2k^2 + k = k - k^2, also Tiefpunkt T(k∣k−k2)T(k \mid k - k^2). Ortskurve: k=xk = x einsetzen: y=x−x2y = x - x^2. Für k=1k = 1: T(1∣0)T(1 \mid 0). Lösung zeigen

Aufgabe 2: Gemeinsamer Punkt

Zeige, dass alle Graphen von fk(x)=x2−2kx+kf_k(x) = x^2 - 2kx + k durch den Punkt (12∣14)\left(\frac{1}{2} \mid \frac{1}{4}\right) gehen.

Lösung anzeigen

fk(12)=14−k+k=14f_k\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{4} - k + k = \frac{1}{4} – unabhängig von kk. Allgemein: fk(x)=x2+k(1−2x)f_k(x) = x^2 + k(1 - 2x), und der Summand mit kk fällt genau für x=12x = \frac{1}{2} weg. Zeigen

Aufgabe 3: Fallunterscheidung

Für welche kk hat fk(x)=kx2−x4f_k(x) = kx^2 - x^4 drei Extrempunkte? Gib sie an. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

fk′(x)=2kx−4x3=2x(k−2x2)f_k'(x) = 2kx - 4x^3 = 2x(k - 2x^2). Für k>0k > 0: x=0x = 0 (Tiefpunkt) und x=±k2x = \pm\sqrt{\frac{k}{2}} (Hochpunkte (±k2∣k24)\left(\pm\sqrt{\frac{k}{2}} \mid \frac{k^2}{4}\right)), für k=2k = 2 also H(±1∣1)H(\pm 1 \mid 1) und T(0∣0)T(0 \mid 0). Für k≤0k \leq 0 nur der Hochpunkt (0∣0)(0 \mid 0). Lösung zeigen

Aufgabe 4: Ortskurve Schritt für Schritt

Bestimme für fk(x)=x3−kxf_k(x) = x^3 - kx (k>0k > 0) die Extrempunkte und die Gleichung der Kurve, auf der sie liegen. Mache die Probe mit k=3k = 3. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

xE=±k3x_E = \pm\sqrt{\frac{k}{3}}, yE=xE(xE2−k)=∓2k3k3y_E = x_E\left(x_E^2 - k\right) = \mp\frac{2k}{3}\sqrt{\frac{k}{3}}. Aus x2=k3x^2 = \frac{k}{3} folgt k=3x2k = 3x^2, eingesetzt y=x3−3x2⋅x=−2x3y = x^3 - 3x^2 \cdot x = -2x^3 (mit x≠0x \neq 0). Probe k=3k = 3: H(−1∣2)H(-1 \mid 2), T(1∣−2)T(1 \mid -2), und tatsächlich −2⋅(−1)3=2-2 \cdot (-1)^3 = 2. Lösung zeigen

Aufgabe 5: Wendepunkte und ihre Ortskurve

Bestimme den Wendepunkt von fk(x)=x⋅e−kxf_k(x) = x \cdot e^{-kx} (k≠0k \neq 0) und die Kurve, auf der alle Wendepunkte liegen. Es ist fk′′(x)=k⋅e−kx(kx−2)f_k''(x) = k \cdot e^{-kx}(kx - 2). Aufgabe laden

Lösung anzeigen

fk′′(x)=0⇒x=2kf_k''(x) = 0 \Rightarrow x = \frac{2}{k} (Vorzeichenwechsel, weil kx−2kx - 2 dort das Vorzeichen wechselt). fk(2k)=2k⋅e−2f_k\left(\frac{2}{k}\right) = \frac{2}{k} \cdot e^{-2}, also W(2k∣2ke2)W\left(\frac{2}{k} \mid \frac{2}{k e^2}\right); für k=1k = 1: W(2∣0,27)W(2 \mid 0{,}27). Ortskurve: k=2xk = \frac{2}{x} einsetzen ergibt y=xe2y = \frac{x}{e^2}. Lösung zeigen

Aufgabe 6: Eine Schar ohne gemeinsamen Punkt

Gegeben ist fk(x)=(x−k)⋅exf_k(x) = (x - k) \cdot e^x. Bestimme den Tiefpunkt in Abhängigkeit von kk, seine Ortskurve und zeige, dass es keinen gemeinsamen Punkt aller Scharkurven gibt. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

fk′(x)=ex+(x−k)ex=ex(x−k+1)=0⇒x=k−1f_k'(x) = e^x + (x - k)e^x = e^x(x - k + 1) = 0 \Rightarrow x = k - 1; fk(k−1)=−ek−1f_k(k - 1) = -e^{k-1}, also T(k−1∣−ek−1)T(k - 1 \mid -e^{k-1}), für k=1k = 1: T(0∣−1)T(0 \mid -1). Ortskurve: k=x+1k = x + 1, y=−exy = -e^x. Gemeinsame Punkte: (x−k1)ex=(x−k2)ex  ⟺  (k2−k1)ex=0(x - k_1)e^x = (x - k_2)e^x \iff (k_2 - k_1)e^x = 0 – für k1≠k2k_1 \neq k_2 unmöglich, weil ex>0e^x > 0. Lösung zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe: ganzrationale Funktionen mit Parametern, danach Anwendungen und verknüpfte Funktionen mit Parametern (auch Scharen von e-Funktionen).
  • Vermuten, dann rechnen: Erst die Ortskurve mit „k durchlaufen lassen“ als leuchtende Spur sichtbar machen und eine Gleichung vermuten lassen, dann mit „Ergebnisse zeigen“ aus rechnen und schrittweise aufdecken.
  • Fallunterscheidung am k-Strahl: Die Klasse markiert vorher auf einem Zahlenstrahl, für welche kk welche Art von Extrempunkten entsteht, und vergleicht mit dem k-Strahl der Simulation.
  • Sonderfälle: Lücke der Ortskurve bei x=0x = 0, Terrassenpunkt bei k=0k = 0, Berühren statt Schneiden im gemeinsamen Punkt – gut für ein Gespräch über genaues Formulieren.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Beim Ableiten wird kk wie eine Variable behandelt.
    • Die Fallunterscheidung (z. B. k<0k < 0) wird vergessen; Wurzeln aus negativen Zahlen.
    • Bei der Ortskurve wird xx nicht nach kk aufgelöst, sondern kk einfach weggelassen.
    • Beim Ansatz für gemeinsame Punkte wird k1≠k2k_1 \neq k_2 nicht genutzt, sodass man durch null teilt.