MathematikKlasse 8–13 · Uni

Funktionsplotter mit eigenen Termen

Bis zu drei eigene Funktionen gleichzeitig, mit Wertetabelle, Nullstellen und Schnittpunkten. Das Werkzeug für alles, was ein Graph sein kann.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Ein Funktionsplotter zeichnet zu einem Funktionsterm den Graphen. Du gibst bis zu drei Terme f(x)f(x), g(x)g(x) und h(x)h(x) ein. Die Simulation zeigt jeden Term noch einmal sauber gesetzt – so siehst du sofort, wie deine Eingabe verstanden wurde – und zeichnet den Graphen. Bei einem Tippfehler wird die Stelle markiert und erklärt, was fehlt.

Eingabe bedeutet Hinweis
2x, 3(x+1) 2x2x, 3(x+1)3(x+1) Der Malpunkt darf fehlen.
x^2, x², 2^x, x^(1/2) x2x^2, x2x^2, 2x2^x, x12x^{\frac{1}{2}} Hochzahlen mit ^, längere in Klammern
0,5x oder 0.5x 0,5x0{,}5x Komma oder Punkt
1/(x-1) 1x−1\dfrac{1}{x-1} Nenner in Klammern setzen!
sqrt(x) oder √x x\sqrt{x}
abs(x-1) oder Betragsstriche ∣x−1∣\lvert x-1 \rvert
sin(x), cos x, tan(2x) sin⁡x\sin x, cos⁡x\cos x, tan⁡2x\tan 2x Winkel im Bogenmaß
e^x, exp(x), ln(x), lg(x), log_2(x) exe^x, exe^x, ln⁡x\ln x, lg⁡x\lg x, log⁡2x\log_2 x exp(x) ist eine andere Schreibweise für exe^x.
pi oder π, e π≈3,14\pi \approx 3{,}14, e≈2,72e \approx 2{,}72 Konstanten
a, b Parameter Dafür erscheinen Regler.

Es gelten die üblichen Rechenregeln: Potenz vor Punkt vor Strich, sonst von links nach rechts; nur Potenztürme werden von oben nach unten gerechnet: 2^3^2 ist 2(32)=292^{(3^2)} = 2^9. Deshalb bedeutet 1/2x dasselbe wie 12⋅x\frac{1}{2} \cdot x – wer 12x\frac{1}{2x} meint, schreibt 1/(2x). Und -x^2 ist −x2-x^2 (erst quadrieren), nicht (−x)2(-x)^2.

Auf Wunsch markiert die Simulation besondere Punkte im sichtbaren Ausschnitt:

  • Nullstellen (auch Berührstellen wie bei x2x^2): Dort ist f(x)=0f(x) = 0.
  • Schnittpunkte zweier Graphen: Ihre xx-Werte sind die Lösungen der Gleichung f(x)=g(x)f(x) = g(x).
  • Hochpunkte H und Tiefpunkte T.
  • Polstellen (gestrichelte senkrechte Asymptote), Definitionslücken (Loch im Graphen) und Ränder der Definitionsmenge wie bei x\sqrt{x}.

Die Werte sind Näherungen: Der Rechner tastet den Graphen ab und grenzt die Stellen durch Intervallhalbierung immer weiter ein. Angezeigt wird auf zwei Nachkommastellen gerundet, erkennbar am Zeichen ≈\approx. Exakte Werte wie 2\sqrt{2} findet man nur durch Rechnen.

Keine senkrechten Striche an Polstellen: Ein einfacher Plotter verbindet den letzten Punkt links einer Polstelle mit dem ersten rechts davon – es entsteht ein senkrechter Strich, der nicht zum Graphen gehört. Hier wird zwischen je zwei Punkten geprüft, ob der Graph dazwischen „springt“; dann wird nicht verbunden.

Mit der Spur fährst du mit einem Punkt am Graphen entlang und liest seine Koordinaten ab; an besonderen Punkten rastet sie ein. Die Wertetabelle zeigt die Funktionswerte ab einem Startwert mit wählbarer Schrittweite Δx\Delta x.

Ausprobieren

  1. Lade Parabel und Sinus. Ziehe den Spurpunkt am Graphen entlang oder tippe auf den grünen Graphen. Welche Lösungen hat die Gleichung x2−2=2sin⁡xx^2 - 2 = 2 \sin x ungefähr?
  2. Tippe bei h(x)h(x) den Term 1/x ein. Wo ist der Graph nicht definiert? Schiebe den Ausschnitt mit der Maus oder dem Finger und zoome mit den Knöpfen.
  3. Mache absichtlich Fehler: 2x+, sinus(x) oder x2. Was meldet die Simulation?
  4. Lade die Parabelschar fa(x)=ax2f_a(x) = a x^2 und verändere aa. Was passiert für a<0a < 0, für a=0a = 0 und für große aa?
  5. Vergleiche x² und 2ˣ. Wie viele Schnittpunkte gibt es? Welche Funktion wächst auf lange Sicht schneller? Zoome heraus.
  6. Lade drei Sinuskurven mit der xx-Achse in Vielfachen von π\pi. Woran erkennst du die Amplitude, woran die Periode?
  7. Untersuche die Tangensfunktion: Wo liegen Nullstellen, wo Polstellen?
  8. Gib (x² − 1)/(x − 1) ein. Der Graph sieht aus wie eine Gerade – doch was ist bei x=1x = 1?
  9. (Oberstufe) Schalte die Tangente ein und ziehe den Spurpunkt. Wo ist die Tangente waagrecht?

Aufgaben

Aufgabe 1: Nullstellen näherungsweise

Aufgabe laden Bestimme mit der Spur die Nullstellen von f(x)=x3−2x−1f(x) = x^3 - 2x - 1 auf zwei Nachkommastellen. Eine davon ist ganzzahlig – zeige durch Einsetzen, dass sie exakt stimmt.

Lösung anzeigen

x1=−1x_1 = -1 (exakt: (−1)3−2⋅(−1)−1=−1+2−1=0(-1)^3 - 2 \cdot (-1) - 1 = -1 + 2 - 1 = 0), x2≈−0,62x_2 \approx -0{,}62 und x3≈1,62x_3 \approx 1{,}62. Nach Abspalten von (x+1)(x + 1) bleibt x2−x−1=0x^2 - x - 1 = 0 mit den exakten Lösungen 1±52\frac{1 \pm \sqrt{5}}{2}. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Eine Gleichung grafisch lösen

Aufgabe laden Löse 2x=3−x2^x = 3 - x grafisch. Begründe, warum es keine weitere Lösung geben kann.

Lösung anzeigen

Die Graphen schneiden sich in S(1∣2)S(1 \mid 2), also x=1x = 1. Probe: 21=22^1 = 2 und 3−1=23 - 1 = 2. Weitere Lösungen gibt es nicht, weil 2x2^x immer steigt und 3−x3 - x immer fällt – die Graphen können sich nur einmal treffen. Zeigen

Aufgabe 3: Was hat der Plotter verstanden?

Aufgabe laden Lea will 12x\frac{1}{2x} zeichnen und tippt 1/2x ein, Tom tippt 1/(2x). Welcher Graph gehört zu wem? Wer hat recht?

Lösung anzeigen

1/2x wird von links nach rechts gerechnet: 12⋅x\frac{1}{2} \cdot x – eine Ursprungsgerade mit Steigung 12\frac{1}{2} (blau). Nur 1/(2x) ergibt 12x\frac{1}{2x}, eine Hyperbel mit Polstelle bei x=0x = 0 (grün). Tom hat recht; die gesetzte Formel in der Karte „Terme“ zeigt den Unterschied.

Aufgabe 4: Eine Parabelschar

Aufgabe laden Für welche Werte von aa hat der Graph von fa(x)=x2−2x+af_a(x) = x^2 - 2x + a zwei, eine oder keine Nullstelle? Probiere mit dem Regler und begründe rechnerisch.

Lösung anzeigen

Der Scheitel liegt bei S(1∣a−1)S(1 \mid a - 1). Für a<1a < 1 liegt er unter der xx-Achse: zwei Nullstellen. Für a=1a = 1 berührt die Parabel die xx-Achse in x=1x = 1: eine Nullstelle. Für a>1a > 1: keine. Rechnerisch: Diskriminante D=4−4aD = 4 - 4a. Grenzfall zeigen

Aufgabe 5: Polstelle oder Lücke?

Aufgabe laden Beide Funktionen sind bei x=2x = 2 nicht definiert. Beschreibe, wie sich die Graphen dort unterscheiden, und erkläre den Unterschied am Term.

Lösung anzeigen

f(x)=x2−4x−2=(x−2)(x+2)x−2=x+2f(x) = \frac{x^2 - 4}{x - 2} = \frac{(x - 2)(x + 2)}{x - 2} = x + 2 für x≠2x \neq 2: Der Graph ist eine Gerade mit einem Loch bei (2∣4)(2 \mid 4) – eine hebbare Definitionslücke. Bei gg lässt sich nicht kürzen; der Zähler ist bei x=2x = 2 nicht null. Die Werte wachsen über alle Grenzen: Polstelle mit senkrechter Asymptote x=2x = 2. Zeigen

Aufgabe 6: Tangente (Oberstufe)

Aufgabe laden Berechne für f(x)=x3−3xf(x) = x^3 - 3x die Steigung f′(2)f'(2) und die Gleichung der Tangente bei x=2x = 2. Überprüfe anschließend mit „Tangente im Spurpunkt“. An welchen Stellen ist die Tangente waagrecht?

Lösung anzeigen

f′(x)=3x2−3f'(x) = 3x^2 - 3, also f′(2)=9f'(2) = 9 und mit f(2)=2f(2) = 2: t(x)=9(x−2)+2=9x−16t(x) = 9(x - 2) + 2 = 9x - 16. Waagrechte Tangenten bei f′(x)=0f'(x) = 0, also x=±1x = \pm 1: Hochpunkt H(−1∣2)H(-1 \mid 2), Tiefpunkt T(1∣−2)T(1 \mid -2). Tangente als g(x) zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Etwa Klasse 8, Funktion und Term (Graphen mit einem Funktionenplotter erstellen und untersuchen), danach als Werkzeug durch alle Klassen: quadratische Funktionen und Scharen, Potenz-, Exponential- und Sinusfunktionen, gebrochen-rationale Funktionen und Ableitung in der Oberstufe, auch im Studium.
  • Sicher und datensparsam: Die Terme werden von einem eigenen Leseprogramm ausgewertet (kein eval, keine Übertragung). Geteilte Links enthalten die Terme, den Ausschnitt und alle Einstellungen; mit _hide=1 werden die Ergebnislisten verdeckt, die Marken im Bild schaltet man in Aufgabenlinks einzeln ab (nst=0, sct=0, ext=0, asy=0).
  • Numerik: Alle besonderen Punkte sind Näherungen im sichtbaren Ausschnitt. Sehr flache Extrempunkte (z. B. bei x10x^{10}) oder sehr dicht liegende Nullstellen können übersehen werden; hebbare Lücken werden an Stellen eines Viertelrasters gesucht. Potenzen mit negativer Basis sind nur für ganzzahlige Exponenten definiert (wie im Unterricht): x^(1/3) ist für x<0x < 0 nicht definiert.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Der senkrechte Strich an der Polstelle gehört zum Graphen.“ – Er entsteht nur, wenn ein Plotter Punkte blind verbindet.
    • „Der Rechner liefert exakte Werte.“ – Er rundet; 1,411{,}41 ist nicht 2\sqrt{2}.
    • 1/2x statt 1/(2x), -x^2 statt (-x)^2, sin(x) im Gradmaß erwartet.
    • „Der Graph hört am Bildrand auf.“ – Herauszoomen zeigt den weiteren Verlauf.
    • 0^0 wird wie in vielen Rechnern und Programmiersprachen als 11 gerechnet (z. B. x^0 an der Stelle x=0x = 0). Im Unterricht bleibt 000^0 meist nicht festgelegt.