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1. Quadratische Funktionen und Parabeln

1.1 Quadratische Funktionen

📘 Erklärung

Eine quadratische Funktion kann in verschiedenen Formen dargestellt werden.

Formen:
1. Allgemeine Form: f(x) = ax² + bx + c
2. Scheitelpunktform: f(x) = a(x − d)² + e
3. Nullstellenform: f(x) = a(x − x₁)(x − x₂)

Parameter:
- a > 0: Parabel nach oben geöffnet
- a < 0: Parabel nach unten geöffnet
- |a| > 1: Schmale Parabel
- |a| < 1: Breite Parabel
- d und e bilden den Scheitelpunkt (d|e)
- x₁ und x₂ sind Nullstellen der Funktion

📊 Zeichnung

1.2 Scheitelpunkt und Scheitelpunktform

📘 Erklärung

Der Scheitelpunkt S(d|e) ist der tiefste (a > 0) oder höchste (a < 0) Punkt der Parabel.

Scheitelpunktform: f(x) = a(x − d)² + e

- d: x-Koordinate des Scheitelpunkts
- e: y-Koordinate des Scheitelpunkts

Der Scheitelpunkt ist also bei (d|e).

📊 Zeichnung
💡 Beispiel: Scheitelpunkt ablesen

Scheitelpunktform ablesen:

f(x) = (x − 2)² + 1

Scheitelpunkt: S(2|1)

📋 Aufgaben-Set 1.2.1: Scheitelpunktform ablesen [0/3]

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🎯 Interaktive Aufgabe 1.2.2

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🎯 Interaktive Aufgabe 1.2.3

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1.3 Wiederholung binomische Formeln

📘 Erklärung

Die binomischen Formeln beschreiben das Ausmultiplizieren von Klammern mit zwei Termen:

1. Binomische Formel: (a + b)² = a² + 2ab + b²

2. Binomische Formel: (a − b)² = a² − 2ab + b²

3. Binomische Formel: (a + b)(a − b) = a² − b²

Die 2. binomische Formel wird beim Umformen quadratischer Funktionen besonders häufig benötigt.

💡 Beispiel
1. binomische Formel:
(x + 3)² = x² + 2·x·3 + 3² = x² + 6x + 9

2. binomische Formel:
(x − 5)² = x² − 2·x·5 + 5² = x² − 10x + 25

3. binomische Formel:
(x + 4)(x − 4) = x² − 16

Rückwärts erkennen (Faktorisieren):
x² + 8x + 16 = (x + 4)² → weil 4² = 16 und 2·4 = 8

🎲 Aufgabenpool 1.3.1: Binomische Formeln [0/3]

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🎲 Aufgabenpool 1.3.2: Binomische Formeln anwenden [0/3]

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🎯 Interaktive Aufgabe 1.3.3

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1.4 Allgemeine Form

📘 Erklärung

Die allgemeine Form (Normalform) f(x) = ax² + bx + c erhält man aus der Scheitelpunktform durch Ausmultiplizieren mit der 1. oder 2. binomischen Formel:

f(x) = a(x − d)² + e

Schritt 1: Klammer auflösen (2. binomische Formel): (x − d)² = x² − 2dx + d²

Schritt 2: Mit a multiplizieren: a·x² − 2ad·x + ad²

Schritt 3: e addieren: ax² − 2adx + ad² + e

Es gilt also: b = −2ad und c = ad² + e

💡 Beispiel
f(x) = 3(x − 2)² + 1 in allgemeine Form umwandeln:

Schritt 1: (x − 2)² = x² − 4x + 4

Schritt 2: 3·(x² − 4x + 4) = 3x² − 12x + 12

Schritt 3: 3x² − 12x + 12 + 1 = 3x² − 12x + 13

f(x) = −2(x + 1)² + 5 in allgemeine Form:

(x + 1)² = x² + 2x + 1

−2·(x² + 2x + 1) = −2x² − 4x − 2

−2x² − 4x − 2 + 5 = −2x² − 4x + 3

🎲 Aufgabenpool 1.4.1: Scheitelpunktform in allgemeine Form umwandeln [0/2]

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1.5 Quadratische Ergänzung

📘 Erklärung

Die quadratische Ergänzung wandelt die allgemeine Form in die Scheitelpunktform um.

Vorgehensweise für f(x) = x² + px + q (a = 1):

Schritt 1: Halbiere den Koeffizienten von x: p/2

Schritt 2: Schreibe (x + p/2)² − (p/2)² + q

Schritt 3: Vereinfache → Scheitelpunkt S(−p/2 | q − (p/2)²)

Für a ≠ 1: Zuerst a ausklammern, dann Schritt 1–3 anwenden.

💡 Beispiel
f(x) = x² − 6x + 11 (a = 1, p = −6, q = 11):

Schritt 1: p/2 = −3

Schritt 2: (x − 3)² − (−3)² + 11 = (x − 3)² − 9 + 11

Schritt 3: f(x) = (x − 3)² + 2 → Scheitelpunkt S(3|2)

---

f(x) = 2x² + 8x − 6 (a ≠ 1):

Schritt 1: 2 ausklammern: 2(x² + 4x) − 6

Schritt 2: p/2 = 2, ergänze 2·[(x + 2)² − 4] − 6

Schritt 3: 2(x + 2)² − 8 − 6 = 2(x + 2)² − 14 → Scheitelpunkt S(−2|−14)

🎲 Aufgabenpool 1.5.1: Quadratische Ergänzung Schritt für Schritt [0/8]

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🎲 Aufgabenpool 1.5.2: Scheitelpunkt komplett bestimmen [0/2]

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1.6 Nullstellen von Parabeln

📘 Erklärung
Nullstellen einer quadratischen Funktion sind die x-Werte, für die f(x) = 0.

Berechnung:
1. f(x) = 0 setzen
2. Quadratische Gleichung lösen (p-q-Formel, etc.)

Anzahl der Nullstellen:
- Diskriminante > 0: Zwei Nullstellen
- Diskriminante = 0: Eine Nullstelle (Scheitelpunkt auf x-Achse)
- Diskriminante < 0: Keine Nullstellen

💡 Beispiel
Nullstellen von f(x) = x² − 5x + 6:

0 = x² − 5x + 6
x₁,₂ = 5/2 ± √((5/2)² − 6)
x₁,₂ = 2,5 ± √(6,25 − 6)
x₁,₂ = 2,5 ± 0,5

Nullstellen: x₁ = 3, x₂ = 2

Faktorisierte Form:
f(x) = (x − 2)(x − 3)

🎯 Interaktive Aufgabe 1.6.1

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1.7 Parabeln zeichnen und analysieren

🎯 Interaktive Aufgabe 1.7.1

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🎯 Interaktive Aufgabe 1.7.2

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1.8 Parabel durch gegebene Punkte bestimmen

📋 Aufgaben-Set 1.8.1: Parabel durch gegebene Punkte bestimmen [0/3]

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📘 Erklärung

Sind drei Punkte einer Parabel bekannt, lässt sich die Gleichung f(x) = ax² + bx + c bestimmen.

Vorgehensweise:

Schritt 1: Die x- und y-Koordinaten jedes Punktes in f(x) = ax² + bx + c einsetzen → drei Gleichungen mit den Unbekannten a, b, c.

Schritt 2: Das lineare Gleichungssystem lösen (Einsetzungs- oder Additionsverfahren).

Schritt 3: a, b, c in die allgemeine Form einsetzen und überprüfen.

Tipp: Liegt ein Punkt auf der y-Achse (x = 0), ergibt sich sofort c = y₀ (y-Wert dieses Punktes).

💡 Beispiel
Gesucht: Parabel durch P₁(0|3), P₂(1|0), P₃(3|6)

f(x) = ax² + bx + c

Aus P₁(0|3): a·0 + b·0 + c = 3 → c = 3

Aus P₂(1|0): a + b + 3 = 0 → a + b = −3 (I)

Aus P₃(3|6): 9a + 3b + 3 = 6 → 9a + 3b = 3 → 3a + b = 1 (II)

(II) − (I): 2a = 4 → a = 2

Einsetzen in (I): 2 + b = −3 → b = −5

f(x) = 2x² − 5x + 3

Probe: f(3) = 18 − 15 + 3 = 6 ✓

1.9 Schnittpunkte: Parabel und Gerade

📘 Erklärung

Die Schnittpunkte einer Parabel f(x) = ax² + bx + c mit einer Geraden g(x) = mx + n erhält man durch Gleichsetzen:

ax² + bx + c = mx + n

Umformen zu: ax² + (b − m)x + (c − n) = 0

Diese quadratische Gleichung mit der p-q-Formel lösen.

Anzahl der Schnittpunkte (abhängig von der Diskriminante D):
- D > 0: Zwei Schnittpunkte (Sekante)
- D = 0: Ein Schnittpunkt (Tangente)
- D < 0: Kein Schnittpunkt

Für jeden x-Wert: y-Koordinate über g(x) = mx + n berechnen.

💡 Beispiel
Schnittpunkte von f(x) = x² − 3x + 2 und g(x) = x − 1

Gleichsetzen: x² − 3x + 2 = x − 1

Umformen: x² − 4x + 3 = 0

p-q-Formel (p = −4, q = 3):
x₁,₂ = 2 ± √(4 − 3) = 2 ± 1

x₁ = 3 → y₁ = 3 − 1 = 2 → S₁(3|2)

x₂ = 1 → y₂ = 1 − 1 = 0 → S₂(1|0)

---

Tangente g(x) = 3x − 2 an f(x) = x² + x − 1:

x² + x − 1 = 3x − 2 → x² − 2x + 1 = 0

D = (−1)² − 1 = 1 − 1 = 0 → ein Schnittpunkt (Berührpunkt) → Tangente bestätigt

🎲 Aufgabenpool 1.9.1: Schnittpunkte graphisch ablesen [0/3]

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1.10 Quadratische Optimierung (Extremwertaufgaben)

📘 Erklärung

Der Scheitelpunkt einer Parabel liefert automatisch das Maximum oder Minimum einer quadratischen Funktion:

- a > 0: Scheitelpunkt ist das Minimum (tiefster Punkt)
- a < 0: Scheitelpunkt ist das Maximum (höchster Punkt)

Vorgehensweise bei Sachaufgaben:

Schritt 1: Situation mit einer quadratischen Funktion modellieren (Variable einführen, Terme aufstellen).

Schritt 2: Funktion in Scheitelpunktform bringen (quadratische Ergänzung oder Ablesen).

Schritt 3: Scheitelpunkt ablesen und Ergebnis interpretieren.

💡 Beispiel
Beispiel 1: Wurfparabel

Die Höhe eines geworfenen Balls beträgt h(t) = −t² + 6t + 1 (Höhe in Metern, Zeit in Sekunden).

Quadratische Ergänzung:
h(t) = −(t² − 6t) + 1 = −[(t − 3)² − 9] + 1 = −(t − 3)² + 10

Scheitelpunkt: S(3|10)

→ Der Ball erreicht nach 3 Sekunden seine maximale Höhe von 10 Metern.

---

Beispiel 2: Flächenoptimierung

Ein Rechteck mit Umfang 24 m soll maximale Fläche haben.

Sei l die Länge → Breite b = 12 − l

A(l) = l·(12 − l) = −l² + 12l

Quadratische Ergänzung: A(l) = −(l − 6)² + 36

Scheitelpunkt: S(6|36)

→ Bei l = b = 6 m (Quadrat) ist die Fläche mit 36 m² maximal.

🎯 Interaktive Aufgabe 1.10.1

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🎯 Interaktive Aufgabe 1.10.2

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