Aufgabenbeispiele von Trigonometrie

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Ableiten von trigonometrischen Funktionen

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 3 sin( 1 3 ( x -3 )) -3 und vereinfache:

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f(x)= 3 sin( 1 3 ( x -3 )) -3

f'(x)= 3 cos( 1 3 ( x -3 )) · ( 1 3 ( 1 +0) )+0

= 3 cos( 1 3 ( x -3 )) · ( 1 3 ( 1 ) )

= cos( 1 3 ( x -3 ))

Ableiten von trigonometrischen Funktionen BF

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= -4 sin( -x -1 ) +2x und vereinfache:

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f(x)= -4 sin( -x -1 ) +2x

f'(x)= -4 cos( -x -1 ) · ( -1 +0 ) +2

= -4 cos( -x -1 ) · ( -1 ) +2

= 4 cos( -x -1 ) +2

Integral über trigon. Funktion

Beispiel:

Bestimme das Integral 1 2 π 3 2 π - sin( x ) x .

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1 2 π 3 2 π - sin( x ) x

= [ cos( x ) ] 1 2 π 3 2 π

= cos( 3 2 π ) - cos( 1 2 π )

= 0 - 0

= 0

Extrempunkte bei trigon. Fktn. BF (einfach)

Beispiel:

Bestimme die Tiefpunkte des Graphen von f mit f(x)= 3 sin( 2 3 x ) +2 im Intervall [0; 6π ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=sin(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=sin(x) um d=2 in y-Richtung verschoben ist.

Der erste steigender Wendepunkt wäre also im Punkt P(0|2).

Mit Hilfe von b= 2 3 und der Periodenformel p= b erhalten wir als Periode:
p= 2 3 = 3π

Der gesuchte Tiefpunkt ist bei sin(x) nach Dreiviertel der Periode,
also bei x1= 9 4 π 9 4 π . .

Weil das gesuchte Interval [0; 6π ) zwei Perioden umfasst, ist auch noch 9 4 π+3π = 21 4 π eine Lösung.

Die Funktion schwingt wegen d=2 um y=2. Der y-Wert des Tiefpunkt ist also eine Amplitude (a=3) unter 2, also bei y=-1.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Tiefpunkt bei ( 9 4 π |-1) und einen bei ( 21 4 π |-1)

Extrempunkte bei trigonometr. Fktn. BF

Beispiel:

Bestimme die Wendepunkte des Graphen von f mit f(x)= cos( 2x ) +3 im Intervall [0; π ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=cos(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=cos(x) um d=3 in y-Richtung verschoben ist.

Der erste Hochpunkt wäre also im Punkt P(0|3).

Mit Hilfe von b=2 und der Periodenformel p= b erhalten wir als Periode:
p= 2 = π

Der gesuchte Wendepunkt ist bei cos(x) nach einem Viertel und nach Dreiviertel der Periode,
also bei x1= 1 4 π 1 4 π . und bei x2= 3 4 π 3 4 π . .

Die Funktion schwingt wegen d=3 um y=3. Der y-Wert des Wendepunkt ist also gerade 3.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Wendepunkt bei ( 1 4 π |3) und einen bei ( 3 4 π |3)

Extremstellen bei trigon. Fktn (LF)

Beispiel:

Bestimme die Hochpunkte des Graphen von f mit f(x)= -2 cos( 2 3 ( x + 1 2 π)) im Intervall [0; 3π ).
(Tipp: am schnellsten geht das ohne Ableitungen)

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Die Originalfunktion f(x)=cos(x) ist in der Abbildung rechts in blau eingezeichnet.

Wir erkennen relativ gut am Term, dass der Graph von f gegenüber dem von g(x)=cos(x) um d=0 in y-Richtung und um c= - 1 2 π nach rechts verschoben ist.

Der erste Hochpunkt wäre also im Punkt P( - 1 2 π |0).

Weil aber das Vorzeichen von a = -2 aber negativ ist, wird die Original-funktion f(x)=cos(x) nicht nur um den Faktor 2 gestreckt sondern auch an der x-Achse gespiegelt, so dass aus dem Hochpunkt in P ein Tiefpunkt in P( - 1 2 π |0) wird.

Mit Hilfe von b= 2 3 und der Periodenformel p= b erhalten wir als Periode:
p= 2 3 = 3π

Der gesuchte Hochpunkt ist bei cos(x) zu Beginn der Periode, bei der durch das negative Vorzeichen an der x-Achse gespiegelte Funktion -2 cos( 2 3 ( x + 1 2 π)) +0 aber nach der Hälfte der Periode,
also bei x1= - 1 2 π + 3 2 π π . .

Die Funktion schwingt wegen d=0 um y=0. Der y-Wert des Hochpunkt ist also eine Amplitude (a=2) über 0, also bei y=2.

Wir erhalten also als Ergebnis einen Hochpunkt bei ( π |2)

Nullstellen mit dem WTR

Beispiel:

Bestimme mit Hilfe eines Taschenrechners alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= -3 cos( x ) -3 innerhalb einer Periode, also im Intervall [0; 2π [.

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Um die Nullstellen zu erhalten, setzen wir einfach f(x)=0.

Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

-3 cos( x ) -3 = 0 | +3
-3 cos( x ) = 3 |:-3
canvas
cos( x ) = -1 |cos-1(⋅)

Am Einheitskreis erkennt man sofort:

x = π

L={ π }

Die einzige Nullstelle in der Periode [0; 2π ) ist also bei x = π .

trigon. Anwendungsaufgabe 2

Beispiel:

In einem Wellenbad kann man an einer bestimmten Stelle die Wasserhöhe zur Zeit t (in Sekunden) näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 15 sin( 1 2 π t ) +70 (0 ≤ t ≤ 4) angeben.

  1. Bestimme die Periode dieses Vorgangs.
  2. Bestimme die kleinste Wasserhöhe.

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  1. Periodenlänge

    Aus dem Funktionsterm können wir den Faktor b = 1 2 π herauslesen und in die Periodenformel einsetzen:

    Somit gilt für die Periodenlänge: p = 2 π b = 2 π 1 2 π = 4

  2. y-Wert des Minimums (TP)

    Gesucht ist der tiefste Funktionswert. Aus dem Term kann man eine Verschiebung der Sinusfunktion um d = 70 nach oben und eine Amplitude von a = 15 erkennen, d.h. f schwingt um maximal 15 um 70. Somit ist der tiefste Wert bei 70 cm - 15 cm = 55 cm.