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Lineare Funktionen - aiMOOC

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Lineare Funktionen - aiMOOC




Einleitung

Lineare Funktionen gehören zu den wichtigsten Themen der Mathematik in der Sekundarstufe I. Du lernst dabei, wie sich Zusammenhänge zwischen zwei Größen mit einer Gleichung, einer Wertetabelle und einem Graphen darstellen lassen. Eine lineare Funktion beschreibt einen gleichmäßigen Zusammenhang: Wenn sich der x-Wert immer um denselben Betrag verändert, verändert sich auch der y-Wert immer um denselben Betrag. Deshalb ist der Graph einer linearen Funktion immer eine Gerade.

In der Schulmathematik wird eine lineare Funktion meist in der Form f(x)=mx+n oder y=mx+n geschrieben. Dabei steht m für die Steigung und n für den y-Achsenabschnitt. Mit dieser einfachen Form kannst Du viele Alltagssituationen beschreiben, zum Beispiel Taxikosten, Handyverträge, gleichmäßige Bewegungen, Füllvorgänge oder Kostenmodelle.

Datei:Y-intercept line slope.svg

Das Bild zeigt eine Gerade mit der Gleichung y=3x2. Du erkennst den y-Achsenabschnitt bei 2 und die positive Steigung 3. Das bedeutet: Wenn Du im Koordinatensystem einen Schritt nach rechts gehst, gehst Du drei Schritte nach oben.


Grundidee linearer Funktionen

Eine Funktion ordnet jedem erlaubten x-Wert genau einen y-Wert zu. Bei einer linearen Funktion geschieht diese Zuordnung nach einer festen Rechenvorschrift. Diese Rechenvorschrift heißt Funktionsterm oder Funktionsgleichung.

Die allgemeine Form lautet:

f(x)=mx+n

oder gleichwertig:

y=mx+n

Die Buchstaben haben folgende Bedeutung: x ist die unabhängige Variable, y oder f(x) ist der zugehörige Funktionswert, m ist die Steigung und n ist der y-Achsenabschnitt. In manchen Lehrbüchern wird statt n auch b verwendet.


Beispiel einer linearen Funktion

Betrachte die Funktion:

f(x)=2x+1

Setzt Du verschiedene Werte für x ein, erhältst Du die passenden Funktionswerte.

x f(x)=2x+1 Punkt im Koordinatensystem
2 3 (2|3)
1 1 (1|1)
0 1 (0|1)
1 3 (1|3)
2 5 (2|5)

Wenn Du diese Punkte in ein Koordinatensystem einzeichnest und miteinander verbindest, entsteht eine Gerade. Für eine lineare Funktion reichen grundsätzlich zwei verschiedene Punkte, um den Graphen eindeutig zu zeichnen. Weitere Punkte helfen Dir aber, Fehler zu erkennen.


Die Normalform y=mx+n

Die Darstellung y=mx+n heißt häufig Normalform einer linearen Funktion. Sie ist besonders praktisch, weil Du an ihr sofort zwei wichtige Informationen ablesen kannst.

  1. Steigung: Der Wert m beschreibt, wie stark die Gerade steigt oder fällt.
  2. y-Achsenabschnitt: Der Wert n beschreibt, an welcher Stelle die Gerade die y-Achse schneidet.


Bedeutung der Steigung

Die Steigung m beschreibt die Veränderung des y-Werts im Verhältnis zur Veränderung des x-Werts. Sie kann mit einem Steigungsdreieck sichtbar gemacht werden.

m=ΔyΔx

Dabei bedeutet Δy die Veränderung in y-Richtung und Δx die Veränderung in x-Richtung.

Datei:Graph of slope.png

Eine positive Steigung bedeutet, dass die Gerade von links nach rechts steigt. Eine negative Steigung bedeutet, dass die Gerade von links nach rechts fällt. Bei m=0 ist die Gerade waagerecht. Dann handelt es sich um eine konstante Funktion.


Bedeutung des y-Achsenabschnitts

Der y-Achsenabschnitt n gibt an, wo die Gerade die y-Achse schneidet. Weil auf der y-Achse immer x=0 gilt, erhältst Du:

f(0)=m0+n=n

Der Punkt auf der y-Achse hat daher immer die Form (0|n). Bei der Funktion f(x)=3x2 liegt der y-Achsenabschnitt also bei 2, der zugehörige Punkt ist (0|2).


Graphen linearer Funktionen zeichnen

Um den Graphen einer linearen Funktion zu zeichnen, kannst Du verschiedene Methoden verwenden. Am häufigsten nutzt Du eine Wertetabelle oder die Informationen aus der Normalform.


Methode 1: Zeichnen mit Wertetabelle

Bei der Methode mit einer Wertetabelle wählst Du mehrere x-Werte aus, setzt sie in den Funktionsterm ein und erhältst passende Punkte. Anschließend trägst Du diese Punkte in das Koordinatensystem ein und verbindest sie zu einer Gerade.

Beispiel:

f(x)=x+4

x Rechnung f(x) Punkt
0 0+4 4 (0|4)
1 1+4 3 (1|3)
2 2+4 2 (2|2)
4 4+4 0 (4|0)


Methode 2: Zeichnen mit y-Achsenabschnitt und Steigung

Diese Methode ist sehr schnell, wenn die Funktion bereits in der Form y=mx+n vorliegt.

  1. y-Achsenabschnitt: Markiere zuerst den Punkt (0|n).
  2. Steigungsdreieck: Schreibe die Steigung als Bruch, zum Beispiel m=23.
  3. Koordinatensystem: Gehe vom y-Achsenabschnitt aus entsprechend dem Steigungsdreieck nach rechts und nach oben oder unten.
  4. Gerade: Zeichne die Gerade durch die beiden Punkte.

Beispiel:

y=23x1

Der y-Achsenabschnitt ist 1, also liegt ein Punkt bei (0|1). Die Steigung 23 bedeutet: drei Schritte nach rechts und zwei Schritte nach oben.


Mehrere lineare Funktionen vergleichen

Datei:Linear Function Graph.svg

In einem Koordinatensystem können mehrere Geraden liegen. Wenn zwei lineare Funktionen dieselbe Steigung haben, sind ihre Graphen parallel. Wenn sie unterschiedliche Steigungen haben, schneiden sie sich normalerweise in einem Schnittpunkt. Der Schnittpunkt hat eine besondere Bedeutung: Dort besitzen beide Funktionen denselben x-Wert und denselben y-Wert.


Funktionsgleichungen bestimmen

Häufig kennst Du nicht direkt die Funktionsgleichung, sondern nur einen Graphen, zwei Punkte oder eine Sachsituation. Dann musst Du die Gleichung selbst bestimmen.


Funktionsgleichung aus einem Graphen ablesen

Wenn Du einen Graphen vor Dir hast, gehst Du so vor:

  1. y-Achsenabschnitt: Lies ab, wo die Gerade die y-Achse schneidet. Das ist n.
  2. Steigung: Wähle zwei gut ablesbare Punkte auf der Geraden und bilde ein Steigungsdreieck.
  3. Normalform: Setze m und n in y=mx+n ein.

Beispiel: Eine Gerade schneidet die y-Achse bei 2 und steigt bei drei Schritten nach rechts um sechs Schritte nach oben. Dann gilt:

m=63=2

Die Funktionsgleichung lautet:

y=2x+2


Funktionsgleichung aus zwei Punkten bestimmen

Wenn zwei Punkte P1(x1|y1) und P2(x2|y2) gegeben sind, berechnest Du zuerst die Steigung:

m=y2y1x2x1

Danach setzt Du einen der Punkte in y=mx+n ein und berechnest n.

Beispiel: Die Gerade geht durch die Punkte A(1|3) und B(4|9).

m=9341=63=2

Setze den Punkt A(1|3) ein:

3=21+n

3=2+n

n=1

Die Funktionsgleichung lautet:

y=2x+1


Nullstelle einer linearen Funktion

Die Nullstelle einer Funktion ist die Stelle, an der der Funktionswert gleich 0 ist. Im Graphen ist das der Schnittpunkt mit der x-Achse.

Für f(x)=mx+n gilt bei einer Nullstelle:

0=mx+n

Wenn m0 ist, kannst Du nach x auflösen:

x=nm

Beispiel:

f(x)=2x6

0=2x6

6=2x

x=3

Die Nullstelle liegt also bei x=3, der Schnittpunkt mit der x-Achse ist (3|0).


Besondere Fälle


Proportionale Funktionen

Eine proportionale Funktion ist ein Spezialfall einer linearen Funktion. Sie hat die Form:

f(x)=mx

Hier gilt n=0. Der Graph verläuft immer durch den Koordinatenursprung (0|0). Ein Beispiel ist f(x)=4x. Wenn x verdoppelt wird, verdoppelt sich auch f(x).


Konstante Funktionen

Bei einer konstanten Funktion ist m=0. Die Funktionsgleichung lautet dann:

f(x)=n

Der Graph ist eine waagerechte Gerade. Ein Beispiel ist f(x)=5. Egal welchen Wert Du für x einsetzt, der Funktionswert bleibt immer 5.


Senkrechte Geraden sind keine Funktionen der Form y gleich mx plus n

Eine senkrechte Gerade wie x=3 ist keine Funktion der Form y=mx+n. Der Grund ist die Eindeutigkeit einer Funktion: Zu einem bestimmten x-Wert darf es nur genau einen y-Wert geben. Bei der senkrechten Geraden x=3 gibt es aber unendlich viele y-Werte.


Lineare Funktionen in Sachsituationen

Lineare Funktionen helfen Dir, reale Situationen mathematisch zu beschreiben. Wichtig ist, die Bedeutung von Steigung und y-Achsenabschnitt im Sachzusammenhang zu verstehen.


Beispiel: Taxikosten

Ein Taxi kostet beim Einsteigen eine Grundgebühr von 4 Euro. Pro gefahrenem Kilometer kommen 2 Euro hinzu. Die Kostenfunktion lautet:

K(x)=2x+4

Dabei ist x die Anzahl der Kilometer und K(x) der Preis in Euro. Die Steigung 2 bedeutet: Jeder weitere Kilometer kostet 2 Euro. Der y-Achsenabschnitt 4 bedeutet: Schon bei 0 Kilometern fallen 4 Euro Grundgebühr an.


Beispiel: Wasserstand

Ein Becken ist anfangs bereits mit 30 Litern Wasser gefüllt. Pro Minute fließen 5 Liter hinzu. Der Wasserstand kann modellhaft beschrieben werden durch:

W(t)=5t+30

Hier beschreibt t die Zeit in Minuten. Die Steigung 5 bedeutet eine Zunahme von 5 Litern pro Minute. Der Anfangswert 30 ist der y-Achsenabschnitt.


Beispiel: Temperaturänderung

Eine Temperatur sinkt jede Stunde um 2 Grad Celsius. Am Anfang beträgt sie 12 Grad Celsius. Eine passende Funktion ist:

T(t)=2t+12

Die negative Steigung zeigt, dass die Temperatur abnimmt. Die Nullstelle dieser Funktion gibt an, nach wie vielen Stunden die Temperatur 0 Grad Celsius erreicht.


Häufige Fehler und Strategien

Viele Fehler bei linearen Funktionen entstehen durch ungenaues Ablesen, Vorzeichenfehler oder eine Verwechslung von Steigung und y-Achsenabschnitt. Achte besonders darauf, ob die Gerade steigt oder fällt. Bei einer fallenden Geraden ist m negativ. Prüfe außerdem immer, ob der Punkt (0|n) wirklich auf der Geraden liegt.

Eine gute Strategie ist die Rückkontrolle: Setze einen Punkt, der auf dem Graphen liegt, in Deine Funktionsgleichung ein. Wenn die Gleichung stimmt, muss der eingesetzte x-Wert genau den passenden y-Wert ergeben.


Erklärvideo

Das folgende Video kann Dir helfen, die Grundidee linearer Funktionen, die Wertetabelle, den Graphen und die Funktionsgleichung zu wiederholen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=mujliRcVSF8 |500|center}}


Zusammenfassung

Eine lineare Funktion hat in der Schulmathematik meist die Form f(x)=mx+n. Ihr Graph ist eine Gerade. Die Steigung m gibt an, wie stark die Gerade steigt oder fällt. Der y-Achsenabschnitt n gibt an, wo die Gerade die y-Achse schneidet. Aus einer Wertetabelle, einem Graphen, zwei Punkten oder einer Sachsituation kannst Du eine lineare Funktion bestimmen. Umgekehrt kannst Du aus einer Funktionsgleichung eine Wertetabelle erstellen, einen Graphen zeichnen und Sachfragen beantworten.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Form hat eine lineare Funktion in der Schulmathematik häufig? (y gleich m mal x plus n) (!y gleich x hoch zwei plus n) (!y gleich m geteilt durch x) (!y gleich Wurzel aus x)




Was beschreibt die Steigung einer linearen Funktion? (Die Veränderung des y-Werts im Verhältnis zur Veränderung des x-Werts) (!Den Schnittpunkt mit der x-Achse) (!Die Größe des Koordinatensystems) (!Die Anzahl der Punkte auf dem Graphen)




Was gibt der y-Achsenabschnitt an? (Wo die Gerade die y-Achse schneidet) (!Wo die Gerade am steilsten ist) (!Wie lang die Gerade ist) (!Wie viele Nullstellen die Funktion hat)




Wie sieht der Graph einer linearen Funktion aus? (Als Gerade) (!Als Kreis) (!Als Parabel) (!Als Zickzacklinie)




Welche Steigung hat eine steigende Gerade? (Eine positive Steigung) (!Eine negative Steigung) (!Immer die Steigung null) (!Keine Steigung)




Welche Aussage passt zur Funktion y gleich 3x minus 2? (Der y-Achsenabschnitt ist minus 2) (!Der y-Achsenabschnitt ist 3) (!Die Steigung ist minus 2) (!Der Graph ist waagerecht)




Was ist eine Nullstelle? (Ein x-Wert, bei dem der Funktionswert null ist) (!Ein y-Wert, der immer positiv ist) (!Der höchste Punkt einer Geraden) (!Der Name der Steigung)




Welche Funktion ist proportional? (y gleich 5x) (!y gleich 5x plus 2) (!y gleich x minus 7) (!y gleich minus x plus 3)




Was gilt für eine konstante Funktion? (Die Steigung ist null) (!Der y-Achsenabschnitt ist immer null) (!Der Graph ist senkrecht) (!Jeder x-Wert hat keinen y-Wert)




Wie viele verschiedene Punkte reichen grundsätzlich aus, um eine lineare Funktion eindeutig zu zeichnen? (Zwei Punkte) (!Ein Punkt) (!Dreißig Punkte) (!Kein Punkt)





Memory

Steigung Veränderung pro Schritt
y-Achsenabschnitt Schnitt mit der y-Achse
Nullstelle Schnitt mit der x-Achse
Wertetabelle Zuordnung von x und y
Funktionsterm Rechenvorschrift
Gerade Graph einer linearen Funktion
Proportionalität Verlauf durch den Ursprung
Steigungsdreieck Hilfsmittel zum Ablesen





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Steigung Gibt an, wie stark die Gerade steigt oder fällt
y-Achsenabschnitt Gibt den Schnittpunkt mit der y-Achse an
Nullstelle Gibt den Schnittpunkt mit der x-Achse an
Wertetabelle Zeigt passende x-Werte und y-Werte
Funktionsgleichung Beschreibt die Zuordnung durch einen Term






Kreuzworträtsel

Gerade Wie heißt der Graph einer linearen Funktion?
Steigung Welcher Begriff beschreibt das Verhältnis von Änderung in y-Richtung und Änderung in x-Richtung?
Achsenabschnitt Wie heißt der Schnitt der Geraden mit der y-Achse kurz?
Nullstelle Wie heißt ein x-Wert, bei dem der Funktionswert null ist?
Wertetabelle Welche Tabelle ordnet x-Werten passende y-Werte zu?
Koordinatensystem Wo zeichnet man die Punkte und den Graphen einer Funktion ein?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine lineare Funktion hat häufig die Form

. Der Graph einer linearen Funktion ist immer eine

. Die Zahl m beschreibt die

. Die Zahl n beschreibt den

. Eine positive Steigung bedeutet, dass der Graph von links nach rechts

. Eine negative Steigung bedeutet, dass der Graph von links nach rechts

. Die Nullstelle ist der Schnittpunkt mit der

. Eine proportionale Funktion verläuft immer durch den

.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Wertetabelle: Erstelle für die Funktion f(x)=2x+3 eine Wertetabelle mit fünf selbst gewählten x-Werten und zeichne den Graphen.
  2. Steigung: Suche in Deinem Klassenzimmer oder Zuhause drei Situationen, in denen etwas gleichmäßig steigt oder fällt, und beschreibe sie mit eigenen Worten.
  3. Koordinatensystem: Zeichne ein Koordinatensystem und trage die Punkte (0|1), (1|3), (2|5) und (3|7) ein.
  4. Funktionswert: Berechne zu drei selbst gewählten linearen Funktionen jeweils die Funktionswerte für x=2, x=0 und x=4.


Standard

  1. Funktionsgleichung: Bestimme die Gleichung einer Geraden, die durch die Punkte A(2|5) und B(6|13) verläuft, und erkläre jeden Rechenschritt.
  2. Sachaufgabe: Erfinde eine eigene Alltagssituation, die durch eine lineare Funktion beschrieben werden kann, und formuliere dazu eine passende Aufgabe mit Lösung.
  3. Steigungsdreieck: Zeichne drei Geraden mit unterschiedlichen Steigungen und markiere jeweils ein Steigungsdreieck.
  4. Nullstelle: Bestimme die Nullstellen von drei selbst gewählten linearen Funktionen und überprüfe sie am Graphen.


Schwer

  1. Modellierung: Vergleiche zwei Handytarife mit Grundgebühr und Preis pro Gigabyte mithilfe linearer Funktionen und entscheide, welcher Tarif für verschiedene Nutzungen günstiger ist.
  2. Schnittpunkt: Entwickle eine Aufgabe, bei der zwei lineare Funktionen einen Schnittpunkt haben, berechne diesen Schnittpunkt und deute ihn im Sachzusammenhang.
  3. Fehleranalyse: Erstelle absichtlich eine falsche Lösung zu einer linearen Funktion und schreibe anschließend eine ausführliche Fehlerkorrektur.
  4. Präsentation: Gestalte ein Lernplakat oder ein kurzes Erklärvideo, in dem Du Wertetabelle, Graph, Steigung, y-Achsenabschnitt und Nullstelle an einem Beispiel verbindest.



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Lernkontrolle

  1. Transferaufgabe: Ein Schwimmbad wird mit Wasser gefüllt. Zu Beginn sind bereits 1200 Liter im Becken, pro Minute kommen 80 Liter hinzu. Stelle eine Funktion auf, zeichne einen sinnvollen Graphen und erkläre die Bedeutung von Steigung und y-Achsenabschnitt.
  2. Vergleich: Zwei Fahrradverleihe haben unterschiedliche Preismodelle. Verleih A verlangt 5 Euro Grundgebühr und 3 Euro pro Stunde. Verleih B verlangt keine Grundgebühr, aber 4 Euro pro Stunde. Bestimme, ab wann welcher Verleih günstiger ist.
  3. Argumentation: Erkläre, warum eine senkrechte Gerade keine lineare Funktion der Form y=mx+n sein kann, obwohl sie im Koordinatensystem ebenfalls eine Gerade ist.
  4. Darstellungswechsel: Wähle eine lineare Funktion, stelle sie als Funktionsgleichung, Wertetabelle, Graph und Sachsituation dar und beschreibe, wie die vier Darstellungen zusammenhängen.
  5. Problemlösen: Eine Temperatur sinkt gleichmäßig. Nach zwei Stunden beträgt sie 8 Grad Celsius, nach fünf Stunden 2 Grad Celsius. Bestimme eine passende lineare Funktion und sage voraus, wann die Temperatur 0 Grad Celsius erreicht.


Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis zeigst Du, dass Du lineare Funktionen nicht nur berechnen, sondern auch verstehen und anwenden kannst. Wähle eine Sachsituation, beschreibe sie mit einer linearen Funktion, erstelle eine Wertetabelle, zeichne den Graphen, markiere Steigung, y-Achsenabschnitt und gegebenenfalls die Nullstelle. Erkläre anschließend schriftlich, welche Bedeutung diese mathematischen Elemente im Sachzusammenhang haben.




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