Fortgeschritten Kurzaufgabe 5 Punkte ~15 Min. Mathematik & Logik

Trigonometrische Funktion: Integral und Parameter

Aufgabenstellung

Gegeben ist die Funktion ff mit f(x)=4cos(x)f(x) = 4 \cdot \cos(x), xRx \in \mathbb{R}.

  • (a) Zeigen Sie, dass 0πf(x)dx=0\displaystyle\int_0^{\pi} f(x) \, dx = 0 gilt, und erläutern Sie dieses Ergebnis geometrisch.
  • (b) Für die Funktion gg gilt g(x)=af(x)+bxg(x) = a \cdot f(x) + b \cdot x mit a,bRa, b \in \mathbb{R}. Bestimmen Sie aa und bb so, dass g(0)=4g(0) = -4 und g(π)=3πg(\pi) = 3\pi gilt.

Lösungsweg

Schritt 1: Integral berechnen (a)

0π4cos(x)dx=[4sin(x)]0π=4sin(π)4sin(0)=00=0\int_0^{\pi} 4\cos(x) \, dx = \bigl[4\sin(x)\bigr]_0^{\pi} = 4\sin(\pi) - 4\sin(0) = 0 - 0 = 0 \quad \square

Geometrische Erläuterung: Im Intervall [0;π2][0; \frac{\pi}{2}] liegt der Graph oberhalb der xx-Achse, im Intervall [π2;π][\frac{\pi}{2}; \pi] darunter. Da cos(x)\cos(x) symmetrisch zu x=π2x = \frac{\pi}{2} ist (d.h. cos(π2t)=sin(t)=cos(π2+t)\cos(\frac{\pi}{2} - t) = \sin(t) = \cos(\frac{\pi}{2} + t) gilt nicht, aber cos(π2t)=cos(π2+t)|\cos(\frac{\pi}{2} - t)| = |\cos(\frac{\pi}{2} + t)|), sind die Flächeninhalte oberhalb und unterhalb der xx-Achse betragsmäßig gleich. Daher heben sie sich im orientierten Integral auf.

Schritt 2: Gleichungssystem aufstellen (b)

g(x)=a4cos(x)+bx=4acos(x)+bxg(x) = a \cdot 4\cos(x) + bx = 4a\cos(x) + bx

Bedingung 1: g(0)=4g(0) = -4

4acos(0)+b0=44a=4a=14a \cdot \cos(0) + b \cdot 0 = -4 \quad \Rightarrow \quad 4a = -4 \quad \Rightarrow \quad a = -1

Bedingung 2: g(π)=3πg(\pi) = 3\pi

4(1)cos(π)+bπ=3π4(-1) \cdot \cos(\pi) + b \cdot \pi = 3\pi

4(1)(1)+bπ=3π4 \cdot (-1) \cdot (-1) + b\pi = 3\pi

4+bπ=3π4 + b\pi = 3\pi

b=3π4π=34πb = \frac{3\pi - 4}{\pi} = 3 - \frac{4}{\pi}

Schritt 3: Ergebnis

a=1,b=34π1,727\boxed{a = -1, \quad b = 3 - \frac{4}{\pi} \approx 1{,}727}

Also ist g(x)=4cos(x)+(34π)xg(x) = -4\cos(x) + \left(3 - \frac{4}{\pi}\right) \cdot x.

Ergebnis

FrageAntwort
Integral0πf(x)dx=0\int_0^{\pi} f(x)\,dx = 0 (Flächen heben sich auf)
Parameter aaa=1a = -1
Parameter bbb=34π1,73b = 3 - \frac{4}{\pi} \approx 1{,}73

Schlagwörter

trigonometrische-funktionintegralparametercosinus