Unterschiedliche Darstellungen von quadratischen Funktionen


Quadratische Funktionen werden in den meisten Fällen in der Form $f(x)= a x^2 + b x + c$ dargestellt. Manchmal ist es allerdings sinnvoll, eine andere Form zu wählen, da in ihr wichtige Informationen einfach abzulesen sind und nicht errechnet werden müssen.


Die Frage, die man sich stellt, lautet: „Wie kann ich die eine Form in die andere überführen?“


Wenn man z.B. zwei Nullstellen und den Streckfaktor (d.i. der Parameter $a$!) gegeben hat, kann man ohne weiteres die sogenannte Linearfaktorendarstellung aufschreiben: \begin{align} \text{erste Nullstelle} &: x_{N1} \\ \text{zweite Nullstelle} &: x_{N2} \\ \text{Streckfaktor} &: a \\ \\ f(x) &= a \left( x - x_{N1} \right) \left( x - x_{N2} \right) \end{align}


Beispiel:

Es sei $x_{N1} = 5$, $x_{N2} = -2$ und $a = 3$. Dann lautet die Funktion in der Linearfaktorendarstellung: $$ f(x)= 3 \left( x - 5 \right) \left( x + 2 \right) $$


Aus der Linearfaktorendarstellung kann durch Ausmultiplizieren die allgemeine Form bestimmt werden. \begin{align} f(x) &= 3 \left( x - 5 \right) \left( x + 2 \right) \\ &= 3 \left( x^2 - 5 x + 2 x - 10 \right) \\ &= 3 \left( x^2 - 3 x - 10 \right) \\ &= 3 x^2 - 9 x - 30 \end{align} Damit hat man die allgemeine Form: $$ f(x) = 3 x^2 - 9 x - 30 $$

Aus der allgemeinen Form kann durch Ausklammern von $a$ die Normalform aufgestellt werden. \begin{align} f(x) &= 3 x^2 - 9 x - 30 \\ f(x) &= 3 \left( x^2 - 3 x - 10 \right) \end{align} Dasselbe Ergebnis erhält man natürlich auch, wenn die beiden Linearfaktoren ohne den Streckfaktor ($a$) ausmultipliziert werden (s.o.).
Die Normalform ist die Ausgangsform für die allgemeine Lösung von quadratischen Gleichungen mit Hilfe der pq-Formel. Dann heißt es: \begin{align} f(x) &= 3 \left( x^2 - 3 x - 10 \right) \\ \\ 0 &= 3 \left( x^2 - 3 x - 10 \right) \\ 0 &= x^2 - 3 x - 10 \\ \\ x_{1,2} &= - \frac{-3}{2} \pm \sqrt{\left( \frac{-3}{2} \right)^2 - (-10)} \\ &= \frac{3}{2} \pm \sqrt{\frac{9}{4} + \frac{40}{4}} \\ &= \frac{3}{2} \pm \sqrt{\frac{49}{4}} \\ &= \frac{3}{2} \pm \frac{7}{2} \\ \\ x_1 &= \frac{3}{2} - \frac{7}{2} = - 2 \\ x_2 &= \frac{3}{2} + \frac{7}{2} = 5 \end{align}

Wird die Normalform nicht Null gesetzt, sondern quadratisch ergänzt, erhält man die Scheitelpunktform. \begin{align} f(x) &= 3 \left( x^2 - 3 x - 10 \right) \\ &= 3 \left( x^2 - 3 x + \left(\frac{3}{2} \right)^2 - \left(\frac{3}{2} \right)^2 -10 \right) \\ &= 3 \left( \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - \left(\frac{3}{2} \right)^2 - 10 \right) \\ &= 3 \left( \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - \frac{9}{4} - \frac{40}{4} \right) \\ &= 3 \left( \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - \frac{49}{4} \right) \\ &= 3 \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - \frac{147}{4} \\ &= 3 \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - 36 \frac{3}{4} \\ \\ f(x) &= 3 \left( x - \frac{3}{2} \right)^2 - 36,75 \end{align} Der Scheitelpunkt ist dann $S \left( 1,5 \mid - 36,75 \right)$. Allgemein: $$ f(x)= a \left( x - x_S \right)^2 + y_S $$

Aus der Scheitelpunktform kann man durch Ausmultiplizieren wieder die allgemeine Form bekommen.


Zusammenfassung

\begin{align} \text{Linearfaktorendarstellung} &: f(x)=a \left( x - x_{N1} \right) \left( x - x_{N2} \right) \\ \text{Scheitelpunktform} &: f(x) = a \left( x - x_S \right)^2 + y_S \\ \text{Normalform} &: f(x) = a \left( x^2 + p x + q \right) \\ \text{allgemeine Form} &: f(x) = a x^2 + b x + c \end{align}
\begin{align} x_{N1}, x_{N2}&: \; \text{Nullstellen des Graphen von} \; f(x) \\ x_S , y_S &: \; \text{Koordinaten des Scheitelpunkts} \; S \left( x_S \mid y_S \right)\\ p &= \frac{b}{a} \; ; \; q = \frac{c}{a} \\ a, b, c &: \; \text{Koeffizienten der quadratischen Funktion} \; f(x) \end{align}





© mondbrand MMXIX