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Polynome im Affenkasten Für jedes Polynom bis zum 4. Grad gibt es einen Kasten, in dem es angeschaut werden kann. Jede Potenzfunktion zeigt eine besondere.

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Polynome im Affenkasten Für jedes Polynom bis zum 4. Grad gibt es einen Kasten, in dem es angeschaut werden kann. Jede Potenzfunktion zeigt eine besondere.

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Präsentation zum Thema: "Polynome im Affenkasten Für jedes Polynom bis zum 4. Grad gibt es einen Kasten, in dem es angeschaut werden kann. Jede Potenzfunktion zeigt eine besondere."—  Präsentation transkript:

1 Polynome im Affenkasten Für jedes Polynom bis zum 4. Grad gibt es einen Kasten, in dem es angeschaut werden kann. Jede Potenzfunktion zeigt eine besondere Schönheit. Neuentdeckungen sind jederzeit möglich. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003

2 Polynome im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Polynome 3. Grades Übersicht Scherung als Beweisgedanke Parabeln im Bärenkasten Polynome 4. Grades im Pantherkäfig Potenzfunktionen Andere Funktionsklassen Entdeckendes Lernen Fundamentale Ideen der Mathematik und ihrer Lehre

3 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Polynom 3. Grades, das Extrema hat. Maximum und Wendepunkt definieren eine Kastenzelle. Überraschend ist: die nächste Zelle passt immer. o.B.d.A Symmetrie zum Wendepunkt.

4 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Jede Tangente schneidet die Wendetangente. Die Tangente am Kastenrand schneidet die Wendetangente auf der oberen Kastenlinie Überraschend ist: Der Schnittpunkt liegt immer an der 2:1 Teilungsstelle der Zelle

5 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Nullstelle ist stets das -fache der Extremstelle. Die Nullstellen -Tangente liegt also irrational im Kasten. Überraschend ist: Sie erbt ihre Steigung aus dem Kasten, m.a.W.: sie ist stets parallel zu einer markanten Kastenlinie. Sie passt nicht zu den anderen wichtigen Tangenten. Wirklich nicht?

6 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Flächenverhältnisse Es ist ein rationales Flächenverhältnis, obwohl die beteiligte Nullstelle irrational im Kasten liegt. Überraschend ist: Die Inhalte der gezeichneten Flächen stehen im Verhältnis 3 : 1 Das ist einfach schön.

7 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Flächenverhältnisse Die Inhalte der gezeichneten Flächen stehen im Verhältnis 3 : 1 Elemente des Beweises: denn die Rasterhöhe ist 2 a r 3.

8 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Flächenverhältnisse Flächen gleicher Farbe sind gleich groß.

9 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Was gilt bei anderen Polynomen 3. Grades? Scherung? Wie zeigt sich Scherung im Funktionsterm? Erreicht man alle Polynome 3. Grades?

10 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Scherung durch Addition des Terms einer Ursprungsgeraden Scherachse ist die y-Achse Scherwinkel ist der (spitze) Steigungswinkel.

11 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Scherung allgemein Addition eines linearen Terms zu einem Funktionsterm bedeutet geometrisch eine Scherung des Funktionsgraphen. Scherachse ist die Parallele zur y-Achse durch die Nullstelle der zum linearen Term gehörigen Geraden Scherwinkel ist der spitze Winkel, den die Gerade mit der x-Achse bildet.

12 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Scherungen erhalten Teilverhältnisse und Inzidenzen Scherungen erhalten die Wendestellen Scherungen erhalten den Grad eines Polynoms Scherungen erhalten die Flächengröße Scherungen erhalten also auch die Flächenverhältnisse Neu ins Bewusstsein gerückt:

13 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Also: Jede Tangente definiert mit Berühr~ und Wendepunkt eine Kastenzelle. Alle für gerade Affenkästen bewiesenen Tatsachen gelten auch für schräge Affenkästen. Alles gilt für alle Polynome 3. Grades.

14 Polynome 3. Grades im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Also: Jede Tangente definiert mit Berühr~ und Wendepunkt eine Kastenzelle. Alle für gerade Affenkästen bewiesenen Tatsachen gelten auch für schräge Affenkästen. Alles gilt für alle Polynome 3. Grades.

15 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Parabeln im Bärenkasten

16 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Existenz des Kastens ist klar. Die Sehne trifft tatsächlich die Kästchenkreuzung Also: Es gibt die Scherung! Die Tangente an der Mittenstelle der Sehne hat die Steigung der Sehne

17 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Existenz des Kastens ist klar. Die Sehne trifft die Kästchenkreuzung Also: Es gibt die Scherung! Die Tangente an der Mittenstelle der Sehne hat die Steigung der Sehne Das neue einbeschriebene Dreieck hat der Fläche des Ausgangsdreiecks

18 Bei jedem Schritt werden neue Sehnendreiecke gebildet. Die Flächensumme der neuen Sehnendreiecke ist ¼ der vorigen. Die Gesamtflächen bilden eine Geometrische Reihe mit dem Faktor ¼ und der Summe 4/3*Startdreieck. Damit nimmt die Parabel 2/3 des Kastens ein. Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Archimedes und seine Parabel- Ausschöpfung

19 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003

20 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Johannes Kepler (Mathematiker, Astronom) fand schon Anfang des 17. Jahrhunderts diese Keplersche (Fass-)Regel. Mehrfache Anwendung führt zur Simpsonregel. Trapez groß Integral = Trapez klein+ 1/3 Parallelogramm Parallelogramm= Trapez groß - Trapez klein Trapez klein beliebige Fkt. f durch die Stützpunkte exakt für Parabel und Polynom 3. Grades

21 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Tangente an an den Ecken des Bärenkastens treffen die untere Kastenkante auf einem Gitterpunkt, sie schneiden sich untereinander auf der Unterkante des Doppelkastens Dies kann also gar keine Parabel sein.

22 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Tangente an der Stelle r lässt sich mit Hilfe der Sehne zu einem zu r symmetrischen Intervall finden. Mit anderen Worten: Die zu einer Parabelsehne parallele Tangente hat ihre Berührstelle an der Mittenstelle Sehne. Beweis: Durch Scherung lässt sich die Tangente in die x-Achse überführen. Dann ist die Eigenschaft trivial. O.B.d.A kann das Intervall [0 / 2r] genommen werden, sic!

23 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Tangente an der Stelle r, die Sehne zu [r-, r+ ], die Sehne zu [r-2, r+2 ], bilden einen gleichmäßigen Kasten. Beweis: Durch Scherung lässt sich die Tangente in die x-Achse überführen. Durch Verschiebung und Streckung entsteht die Normalparabel. Für sie ist wegen (2b) 2 =4 b 2 die Eigenschaft klar.

24 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Für waagerechte Sehnen gilt: Die Fläche zwischen der Parabel und ihrer Sehne ist zwei Drittel der Bärenkastenfläche. Wegen der Scherung gilt das für alle Sehnen.

25 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Scherung, die den schrägen Bärenkasten in einen geraden überführt, hat als Scherwinkel das Negative des Steigungswinkels der Tangente. Scherachse kann jede senkrechte Gerade sein. Der Berührpunkt wird Scheitelpunkt, wenn man will, kann man diesen noch in den Ursprung verschieben. Analytisch kann man einfach die Tangente subtrahieren. Das ist dann eine Scherung an der Senkrechten durch die Nullstelle der Tangente.

26 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Johannes Kepler (Mathematiker, Astronom) fand schon Anfang des 17. Jahrhunderts die sog. Fass-Regel. Mehrfache Anwendung führt zur Simpsonregel. Vollst. Beweis rechts mit Mathematica Verwendung der Dritteleigenschaft Keplersche Regel

27 Parabeln im Bärenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Die Tangenten an den Ecken des Bärenkastens: treffen die untere Kastenkante auf einem Gitterpunkt Dies kann also gar keine Parabel sein. Die beiden Tangenten schneiden sich untereinander auf der Unterkante des Doppelkastens Es gelten viele schöne Flächenverhältnisse

28 Polynome 4. Grades im Pantherkäfig Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Polynome 4. Grades: Sie haben entweder genau zwei Wendepunkte oder gar keine. Betrachtet werden die Graphen mit zwei Wendetangenten und deren Schnittpunkte mit dem Polynom. Ist r der Abstand der Wendestellen, dann ist r auch der Abstand der Schnittstellen von den Wendestellen. Überraschend ist: Die Flächen zwischen Wendetangente und Kurve sind links und rechts gleich groß.

29 Polynome 4. Grades im Pantherkäfig Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Sei ein Polynom 4. Grades mit zwei Wendepunkten betrachtet. O.B.d.A. sei es symmetrisch. Die Gerade vom Wendepunkt zu oberen Kastenecke halbiert die Fläche zwischen Wendetangente und Kurve. ( hellgrau= mittelgrau) Die Randtangente halbiert die untere Zellenkante. Eine gewisse Rolle spielen die Drittel- und Neuntel-Zellenhöhe Überraschend ist: Die Formenvielfalt nimmt Überhand! Nicht das 4-fache, sondern das 4,2-fache der zipfeligen Fläche ist so groß wie die hellgraue.

30 Potenzfunktionen y=x k mit k>1 Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003

31 Gescherte Potenzfunktionen y=x k +mx mit k>1 Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003

32 Potenzfunktionen y=x k mit k>1 Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003

33 e-Funktion mit Eulerkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Entstehung des Graphen aus Bausteinen e-Funktion um k verschieben. quadrieren Asymptote y= k 2. Bei wachsendem k wandert die Extremstelle nach außen, die Asymptote nach oben. Fundamentale Idee Funktionen aus Bausteinen aufbauen

34 e-Funktion mit Eulerkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Überraschend ist: Wendepunkt Extrempunkt Schnittpunkt mit der Asymptote Für alle k sind Wendestelle und Schnittstelle mit Asymptote ln 2 von der Extremstelle entfernt. Also: Die Streifenbreite ist stets ln 2.

35 e-Funktion mit Eulerkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Überraschend ist: Die Wendetangente schneidet Asymptote und x-Achse Dadurch wird ein Kasten definiert. Die Kastenfläche ist so groß wie die Fläche zwischen Kurve und Asymptote. A=2 k 2 Für alle k hat dieser Kasten die Breite 2 Der Wendepunkt liegt auf dem rechten unteren Viertelpunkt.

36 e-Funktion mit Eulerkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Viele Flächen sind Vielfache der Kastenzellen.

37 e-Funktion mit Eulerkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Viele Flächen sind Vielfache der Kastenzellen. Erforschen Sie mathematische Schönheiten!

38 Polynome im Affenkasten Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Universität Lüneburg, Math. Ges. Hamburg 2001, MNU Köln 2001, LFB 2002, GDM 2003 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Das Heft enthält eine zusammenhängende Darstellung mit vollständigen Beweisen, seitenbezogene Kopiervorlagen zu den Kernaussagen, Kopiervorlagen für entdeckendes Lernen, Klausuraufgaben, weitere Zusammenhänge und diesen Vortrag (49 Seiten). für 5. CD = Internet >Vortrag Dateien Mathematik u.v.m. für 5


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