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Extremwertaufgaben | A.21

Unter Extremwertaufgaben (Optimierungsaufgaben) werden alle Aufgaben gefasst, in denen etwas am größten oder am kleinsten werden soll (eine Dreiecksfläche, ein Volumen, ein Abstand). Es gibt zur Zeit mehrere Standardaufgaben von so einer Maximierung (oder Minimierung). Diese werden hier vorgerechnet.


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Beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung berechnen, Beispiel 5 | A.30.06

Die Differenzialgleichung vom begrenzten Wachstum (=beschränkten Wachstum) lautet: f'(t)=k*(G-f(t)). f'(t) ist die Zunahme (oder Abnahme) des Bestandes, G-f(t) heißt Sättigungsmanko und ist der Wert um welchen der Bestand noch zu- oder abnehmen kann (also die Differenz von Grenze und aktuellem Bestand). Damit sagt die Differenzialgleichung aus, dass die momentane Änderung des Bestands proportional zum Sättigungsmanko ist. Die Parameter “k” und “G” tauchen auch in der Funktionsgleichung auf und heißen: k=Wachstumsfaktor=Proportionalitätsfaktor, G=Grenze=S=Schranke.


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Logistisches Wachstum mit Differentialgleichung berechnen, Beispiel 2 | A.30.08

Die Differenzialgleichung vom logistischen Wachstum lautet: f'(t)=k*f(t)*(G-f(t)). f'(t) ist die Zunahme (oder Abnahme) des Bestandes, G-f(t) heißt Sättigungsmanko und ist der Wert um welchen der Bestand noch zu- oder abnehmen kann (also die Differenz von Grenze und aktuellem Bestand). Damit sagt die Differenzialgleichung aus, dass die momentane Änderung des Bestands proportional zum aktuellen Bestand und zum Sättigungsmanko ist. Die Parameter “k” und “G” tauchen auch in der Funktionsgleichung auf und heißen: k=Wachstumsfaktor=Proportionalitätsfaktor, G=Grenze=S=Schranke.


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Funktionsanpassung | A.31.02

Oft ist eine Funktion in Anhängigkeit von Parametern gegeben. Nun hat man die ein- oder andere Bedingung gegeben mit deren Hilfe man die Parameter bestimmen kann. Das Ganze nennt man Funktionsanpassung. Vermutlich kann man es auch “s4yx/nhyc” nennen. Typisches Beispiel sind Brücken, die eine bestimmte Höhe und/oder Breite haben oder zwei Straßen die durch ein Verbindungsstück glatt verbunden werden sollen.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Taylorpolynom; Taylorreihe; Taylorentwicklung, Beispiel 3 | A.32.01

Die Taylorentwicklung macht aus einer komplizierten und hässlichen Funktion ein “einfaches” Polynom, das Taylorpolynom, die Taylorreihe oder einfach nur Näherungspolynom. Natürlich hat das Ganze einen Haken. Um eine e-Funktion oder eine Sinus-Funktion oder etc.. in ein “einfaches” Polynom umzuwandeln, müsste dieses Polynom unendlich lang sein. Das will natürlich niemand, man verwendet von dieser Taylorreihe immer nur die ersten 2,3,4,5... Terme. Insofern hat man mit dem erhaltenen Polynom immer nur eine “Annäherung” an die ursprüngliche, hässliche Funktion, was aber meistens ausreicht. Auf diese Art kann man nach Taylor auch die Reihenentwicklung der Exponential-, der Sinus- oder Kosinusfunktion erhalten. Die Formel für die Taylorentwicklung ist zum Glück relativ einfach.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Mit Newton-Verfahren Nullstellen bestimmen, Beispiel 1 | A.32.02

Es gibt in Mathe viele Gleichungen, die sich nicht lösen lassen. Das Newton-Verfahren (auch: Newton-Iteration) verwendet man, um Nullstellen einer Gleichung zumindest näherungsweise zu bestimmen. Für die Newtoniteration gibt es eine Formel. In diese Formel setzt man einen (beliebigen) x-Wert ein und erhält als Ergebnis ein besseren x-Wert, also einen x-Wert der näher an der tatsächlichen Nullstelle liegt. Dieses Ergebnis setzt man abermals in die Formel ein und erhält einen noch besseren x-Wert. Das Ganze kann man beliebig oft wiederholen und erhält x-Werte die immer näher bei der tatsächlichen Nullstelle liegen. So ein Verfahren nennt man Iteration. Zwar hat das Newtonverfahren auch ein paar Macken, im Großen und Ganzen ist es jedoch wahrscheinlich das beste und schnellste Verfahren, um Gleichungen zu lösen.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Mit Intervallschachtelung Nullstellen bestimmen, Beispiel 1 | A.32.03

Es gibt in Mathe viele Gleichungen, die sich nicht lösen lassen. Das Intervallhalbierungsverfahren (auch Bisektionsverfahren) bietet die Möglichkeit Nullstellen der Gleichung zumindest näherungsweise zu bestimmen. Im Prinzip ist die Methode der Intervallhalbierung eine einfache Intervallschachtelung. Blöd gesagt rät man so lange irgendwelche zwei x-Werte, bis man zwei gefunden hat, deren y-Wert unterschiedliche Vorzeichen haben. Hat man nämlich zwei Punkte mit unterschiedlichen Vorzeichen in den y-Werten, so MUSS dazwischen eine Nullstelle sein. Nun sucht man zwischen diesen Punkten irgendeinen x-Wert, berechnet den y-Wert und betrachtet den y-Wert. Je nach Vorzeichen hat man nun wieder ein kleineres Intervall, in welchem die Nullstelle liegen muss. Das Ganze wiederholt man so lange, bis das Intervall sehr, sehr klein ist oder bis man keine Lust mehr hat. Eine von mehreren Abwandlung der Intervallhalbierung ist die Regula Falsi. Ich finde die Zeitersparnis davon jedoch nicht nennenswert, daher führe ich sie an dieser Stelle nicht vor.


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Mit Trapezregel Flächeninhalt bestimmen, Beispiel 1 | A.32.05

Die Sehnen-Trapez-Regel (oder Trapezregel)ist ein Verfahren, um Flächeninhalte näherungsweise zu bestimmen. Die Sehnen-Trapezformel liefert im Normalfall bessere Ergebnisse als die Keplerschen Fassregel (siehe Kap.2.12.4), dafür ist sie jedoch nicht so schnell und supereinfach. Trotzdem ist die Sehnentrapezregel nicht schwer zu verstehen. Eigentlich setzt man nur x- und y-Werte in eine Formel ein. (Die Sehnen-Trapez-Regel funktioniert damit ähnlich wie die Simpson-Regel oder die Tangenten-Trapez-Regel und liefert auch ähnlich gute Ergebnisse. [Die letzten beiden Methoden gibt’s jedoch nicht auf der Mathe-Seite]).


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Umkehrfunktion berechnen, Beispiel 4 | A.28.01

Die Umkehrfunktion einer Funktion zu bestimmen, ist vom Prinzip her sehr einfach: Man löst die Funktion nach “x” auf. Hat man das getan, kann man das bisherige “x” nun “y” nennen, das bisherige “y” nennt man “x” und ist fertig (=Variablentausch). Hier ein paar gängige Beispiele dazu. Streng genommen kann man nur dann eine Funktion umkehren, wenn die Funktionen monoton sind.


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Umkehrfunktion zeichnen / Schaubild der Umkehrfunktion | A.28.02

Das Schaubild einer Umkehrfunktion erstellt man aus der ursprünglichen Funktion durch Spiegelung an der ersten Winkelhalbierenden (y=x). (Man vertauscht also x-Werte und y-Werte”.)


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