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Aufgabe:

Kleinste Periode einer Winkelfunktion bestimmen?

Problem/Ansatz:

Ich habe folgende Funktion f gegeben: ℝ→ℝ mit f(x)=1/3 * sin (3*π/4 *x)

Ich soll die Länge der kleinsten Periode p bestimmen.

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Welche Perioden hast Du denn gefunden? Was hast Du probiert? Überleg Dir, welche Periode \(x\mapsto\sin x\) hat und wie sich das bei \(x\mapsto \sin (a\cdot x)\) ändert.

Du siehst hier den Graphen der angegebenen Funktion (blau), verglichen mit einem normalen Sinus (orange):

blob.png

Hier der wichtige Fakt, der dir weiterhilft:

Ist \(f\) eine reelle Funktion und periodisch mit Periode \(p\), dann ist die reelle Funktion \(g\), gegeben durch \(g(x)=c\cdot f(ax+b)\) mit Konstanten \(a,b\) und \(c\), periodisch mit Periode \(\frac{p}{a}\).

Ohne dir das jetzt im Detail zu beweisen, wieso gilt das? Das \(c\) ist eine vertikale Streckung der Funktion, das macht an der Periode nichts. Das \(b\) verschiebt den Funktionsgraph um \(\frac{b}{a}\) nach links bzw. rechts, das macht an der Periode auch nichts. Das \(a\) jedoch sorgt dafür, dass das Argument innerhalb von \(f\) um einen Faktor \(a\) schneller eine Periode durchläuft. Dadurch wird die Periode mit Größe \(p\) also um einen Faktor \(\frac{1}{a}\) kürzer, und das ist unser Ergebnis.

Mit dem Wissen bewaffnet, dass die Sinusfunktion eine Periode von \(2\pi\) besitzt, solltest du es jetzt schaffen, oder?

Hier eine Visualisierung zum selber rumspielen. Ich habe die Periode für dich markiert, damit du experimentell sehen kannst, dass nur \(a\) die Länge der Periode verlängern kann:

Was soll denn "kleinste" Periode bedeuten?

mMn gibt es nur eine Periode, oder wie ist das gemeint?

Die Def. ist vermutlich nicht einheitlich. Legt man die (verbreitete) Def. von wikipedia zugrunde, müsste man in der Aufgabe von der kleinsten positiven (\(>0)\) Periode sprechen. Der Begriff "Länge" einer Periode (siehe Frage) ergibt jedenfalls keinen Sinn, denn eine Periode ist eine Zahl.

Eine Funktion hat z.B. die Periodenlänge p, wenn z.B. für alle x in D gilt:

f(x) = f(x + p)

Damit gilt dann aber auch

f(x) = f(x + p) = f(x + p + p) = f(x + 2·p)

Wenn p also eine Periodenlänge ist, dann wäre auch ein ganzzahliges Vielfaches von p eine Periodenlänge.

In der Regel meint man also mit "der Periodenlänge" meist die kleinste auftretende Periodenlänge.

Das gilt zumindest für die meisten (wenn nicht gar alle) Schulbücher, die ich kenne,

So steht in dem Schulbuch, das ich hier gerade aufgeschlagen habe:

Die Sinusfunktion ist eine periodische Funktion mit der Periode 2π.
Der Graph der Sinusfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung: sin (-x) = -sin(x).
Die Nullstellen der Sinusfunktion sind ganzzahlige Vielfache von π.


Der Begriff „Periodenlänge“ tritt übrigens auch bei Dezimalzahlen von Brüchen auf. Da finde ich in einer Formelsammlung, dass bei einem gekürzten Bruch a/b die Periodenlänge höchstens b - 1 betragen kann. So hat man bei folgenden Brüchen folgende Periodenlängen:

1/3 Periodenlänge 1
1/6 Periodenlänge 1
1/7 Periodenlänge 6

Sprich: Wer die Definition der Periodenlänge aus der Schule kennt, der wird vermutlich eben diesen Begriff so kennen was viele Studenten später unter der kleinsten Periodenlänge verstehen.

In meinem Mathebuch steht auch für die Periodenlänge der allgemeinen Sinusfunktion die Formel

p = 2·pi / b

Wobei jedem klar sein sollte, dass es auch hier Widersprüche gibt. Z.B. für den Fall, dass b eine negative Zahl ist, wäre auch die Periodenlänge negativ.

Schulbücher sind halt keine Fachbücher, sondern leben von Vereinfachungen, um den Schülern den Schulalltag nicht noch schwieriger zu gestalten, als er ohnehin schon ist.

Ab der Uni lernt man dann, wie schwierig Mathe sein kann, wenn man sich an die Fachsprache hält. Ich würde schätzen, dass mehr als 50% der Ersties an der Uni Hamburg mit dem Matheskript schon aufgrund der Fachsprache nicht klarkommen, wenn man nicht gewillt ist, einige Sätze bzw. mehrere Absätze mehrfach zu lesen.

2 Antworten

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Überlege dir, was die Parameter \(a\) und \(b\) in der allgemeinen Form \(f(x)=a\sin(bx)\) mit dem Graphen machen (Transformation) und wie sich das auf die Periode auswirkt. Die Periode von \(\sin(x)\) ist ja bekanntlich \(2\pi\). Die Periode lässt sich dann relativ leicht mit Hilfe von \(b\) berechnen.

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Die allgemeine Sinusfunktion lautet in vielen Büchern

f(x) = a·sin(b·(x ± c)) + d

Dabei ist

|a| = 1/3 die Amplitude

und

b = 2·pi / p Stauchfaktor in x-Richtung wobei p die Periodenlänge ist.

Damit gilt auch

p = 2·pi / b

oder bei dir

p = 2·pi / (3/4·pi) = 8/3 = 2 2/3

Damit wäre die kleinste Periodenlänge 8/3 = 2 2/3

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