Mathe F02: Einführung Lineare Funktionen

Hallo und herzlich willkommen zur Lektion über die Linearen Funktionen. Betrachten wir uns die Linearen Funktionen anhand eines Beispiels. Hier seht ihr einen Berg vor euch im Querschnitt. Beschriften wir einmal diesen Berg und zwar mit einer Breite am unteren Rand und schreiben wir noch eine Höhe dazu. Das heißt wir könnten jetzt die Höhe abmessen von der Seite und von unten die Breite des Berges abmessen. Nun stellen wir uns vor, dass wir uns auf diesem Berg irgendwo positionieren, das heißt, wir stellen uns zum Beispiel hier hin und wollen zum Beispiel wissen, wie hoch sind wir und wie weit vom Ursprungspunkt hier unten entfernt. Dazu beschriften wir einmal die beiden Achsen Breite und Höhe. Wenn wir hier stehen fragen wir uns, wie können wir das beschreiben, wir können sagen, dass wir ein sogenanntes Lot nach unten ziehen. Das heißt wir treffen auf die 15 und dann nach links zur Achse der Höhe ebenfalls ein Lot ziehen. Wir stoßen auf die 5. Aus Gründen der Übersichtlichkeit würde ich gerne diese Bäume entfernen und den Boden, damit wir nur noch die eine Achse hier, die Bodenoberfläche sehen können. Nun ist es ein wenig klarer und wir beschriften unseren Punkt hier in der Mitte, wo wir stehen, einfach mal mit groß P. Wenn wir unsere Position beschreiben sollen, wo wir uns direkt auf dem Berg befinden, können wir also diesen Punkt P angeben und sagen, wir haben die Breite und die Höhe und können das sogar konkret machen und lesen also die Breite ab von diesem Lot, das ist bei 15, das tragen wir jetzt hier ein und lesen die Höhe ab von diesem Punkt, und der ist bei 5 und den tragen wir ebenfalls hier ein. Das ist alles definitiv einfach. Aber was passiert wenn ich zum Beispiel einen Punkt hier setzen würden, wo mein Mauszeiger gerade ist? Dann wäre es hier irgendwo dazwischen und wir könnten es nicht direkt ablesen. Daher benötigen wir eine andere Beschreibung, nicht die grafische, sondern die in Form einer Gleichung, bei der wir einen Zahlenwert einsetzen, eine Breite, und dann automatisch durch eine Formel die Höhe ausrechnen können. Schauen wir uns das kurz an. So, verkleinern wir unsere Grafik einmal, das wir ein bisschen mehr Platz haben. Die Frage, die sich uns jetzt stellt: Kann man einen beliebigen Punkt ohne konkretes Ablesen direkt bestimmen? Diese Frage wollen wir jetzt klären und bedienen uns dazu erst einmal einer Wertetabelle. Links die Breite, rechts die Höhe. Tragen wir ein paar Werte ein. Wenn wir die Breite bei Null haben, hier unten, wo der Mauszeiger gerade ist, dann haben wir oft auch eine Höhe von Null. Das können wir also so eintragen. Wenn wir jedoch bei einer Breite von 15 sind, tragen wir die 15 ein, haben wir offensichtlich eine Höhe von 5. Und bei einer Breite von 30 haben wir eine Höhe von 10. Das ist hier leider nicht ganz so gut zu erkennen aber hätten wir die weiter gezeichnet, noch ein Lot gefällt, wäre das ablesbar gewesen. Also wir nehmen uns drei Punkte die man leicht ablesen kann. Jetzt fragt sich also wie komme ich von dieser 0 hier oben auf diese 0? Wie komme ich von dieser 15 auf diese 5? Und wie komme ich von dieser 30 auf diese 10? Es muss ja ein Zusammenhang bestehen, und den wollen wir jetzt herausfinden. Wir wollen also eine Formel finden oder eine Funktion, mit klein f bezeichnet, die wenn wir die Breite einsetzen, f von Breite, uns eine Höhe angibt. Das heißt also wir wollen den Funktionswert, das ist in unserem Fall die Höhe, von einer gegebenen Breite bekommen. Wir können das auch so schreiben, wenn die Breite das x wäre, dann wäre die Höhe das y. Das heißt auf unsere Tabelle angewendet, wenn ich also die Breite 0 einsetze dann kommt, welche Höhe, richtig, die Höhe 0 raus. Wenn ich die Breite 15 einsetze, kommt die Höhe 5 heraus. Und wenn ich die Breite 30 einsetze, kommt die Höhe 10 heraus. Und wenn ihr so wollt, ist das hier eine andere Darstellung unserer bestehenden Tabelle. Und diesen Teil hier unten nochmal jetzt nochmal aufgesplittet, das heißt der Funktionswert von der Breite 0 ist gleich, irgend eine Formel, ist gleich 0. Der Funktionswert an der Stelle 15, also bei der Breite 15, ist gleich irgendetwas, ist gleich 5. Und der Funktionswert an der Stelle 30, das heißt also die Höhe bei einer gegebenen Breite von 30, ist irgendetwas, ist gleich 10. Und dieses Irgendetwas hier in der Mitte, das gilt es jetzt herauszubekommen. Schauen wir uns die Unterschiede an, die sich ergeben wenn ich von 0 auf 15 springe, von der Breite. Und wenn ich von 0 auf 5 springe von der Höhe. Von 0 auf 15 das sind plus 15 und wir springen von 0 auf 5 mit plus 5. Wenn ich also die 15 Schritte nach rechts gehe bei der Grafik hier, 5, 10, 15, muss ich gleichzeitig 5 Schritte hoch gehen. 5 hoch. Das heißt doch, hier liegt eine Steigung vor, offensichtlich beeinflusst die Steigung unsere Funktion, beziehungsweise deren Verlauf. Modifizieren wir kurz unser Beispiel hier, reduzieren es ein wenig, und vergrößern es ein wenig. Wenn wir uns nun die Steigung angucken, gucken wir uns eigentlich nur dieses Dreieck hier an. Das heißt wir gucken uns die Seite an, wir gucken uns diese Seite an und gucken uns die Seite an. Das andere können wir erst einmal ignorieren. Dann haben wir hier eine Höhe des Dreiecks und wir haben hier eine Breite des Dreiecks. Jetzt sag ich euch das sich die Steigung ergibt aus Höhe dividiert durch die Breite. Dann können wir ja mal spaßeshalber die Werte einsetzen, dann haben wir für die Höhe 5 und für die Breite immer noch 15. Und 5 durch 15, das wisst ihr noch aus der Bruchrechnung, sind ein Drittel. Das heißt also die Steigung auf dieser Geraden hier beträgt ein Drittel. Mit anderen Worten: Wir gehen also 3 Schritte nach rechts, hier mit blau dargestellt, und einen kleinen Schritt nach oben; 3 Schritte wieder nach rechts, einen Schritt nach oben; 3 Schritte nach rechts, einen nach oben; und so weiter und so fort und kommt endlich bei 15 und 5 an. Die Frage die sich uns jetzt stellt ist, wie finden wir eine Beschreibung, beziehungsweise Formel dafür? Gucken wir uns an wie wir mit dem Wert der Steigung den Graphen direkt beeinflussen können. Wenn wir also nun, eine beliebige Breite einsetzen und diese Breite dann in der Formel mit ein Drittel multiplizieren, müsste sich theoretisch unser Graph ergeben. Testen wir das gerade. Nehmen wir mal eine Breite von 5, dann würde da stehen, ein Drittel mal die eingesetzte 5, und ein Drittel mal 5 sind 5 Drittel. Und also damit rund 1,667 und da wäre es uns wirklich schwer gefallen diesen Wert hier links auf der Höhe abzulesen. Nehmen wir das hier gerade nochmal weg. Ich kann jetzt also jeden beliebigen Wert hier einsetzen und mit ein Drittel multiplizieren und kriege jeweils die Höhe an der linken Seite heraus. Und was passiert, wenn ich diesen ein Drittel verändern würde, wie sieht es dann mit unserer Funktion aus? Schreiben wir einmal 2 anstatt ein Drittel x hin. Das hieße, wenn ich jetzt eine 5 hier einsetzen würde, würde dann zweimal 5 stehen, und das ergibt eine Höhe von 10. Heißt wenn die 2x unsere Funktion wäre, dann könnt ich jetzt bei dieser 5, 10 nach oben gehen und da einen Punkt setzen. Und den mit dem 0 / 0 – Punkt verbinden. Das hieße so steil wäre unsere Funktion. Einfacher wie wenn wir eine Funktion haben f von x, 1 mal x, dann würde ich jetzt hier auch solch eine 5 eintragen, und dann würde stehen 1 mal 5 und das ist 5. Und dann gucken wir uns das jetzt mal an, die geht also durch den Punkt 5 / 5 und verläuft weiter nach oben. Und wie ihr hier vielleicht seht, bei einer Funktion von 1 mal x kommt letztlich immer der eingesetzte Wert auf der rechten Seite raus. Also immer die Breite entspricht der Höhe. Deswegen haben wir einen idealen Verlauf. In der nächsten Lektion zeige ich euch wie wir diese Formel von einer beliebigen Funktion, also einem beliebigen Graphen in einem Koordinatensystem, linear natürlich, ermitteln können.