MA2 🎲 | Steigung und Steigungswinkel [Grundlagen, Erklärung, Videoclips, Aufgaben & Tipps]

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Inhaltsverzeichnis:

Wir schauen uns in dieser Lerneinheit die Steigung linearer Funktionen mal genauer an.

Für ein optimales Verständnis helfen dir zwei Videoclips und mehrere ausführliche Beispiele mit Zahlenwerten zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Mathematik findest du im Kurs: Ma2-Lineare Gleichungssysteme:

Oder lieber mit den Grundlagen starten? Alles dazu findest du im Kurs: Ma1-Grundlagen der Mathematik

 

Steigung linearer Funktionen | Grundlagen

Steigung linearer Funktionen

 

 

Das Verständnis der Steigung und des Steigungswinkels ist wesentlich für die Analyse von linearen Funktionen und graphischen Darstellungen von Geraden. 

Was ist die Steigung?

Die Steigung einer Geraden beschreibt, wie steil die Gerade ist. Sie ist das Verhältnis der Änderung der y-Koordinate zur Änderung der x-Koordinate zwischen zwei Punkten auf der Geraden. Mathematisch wird die Steigung mm wie folgt berechnet: m = \frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}

Was ist der Steigungswinkel?

Der Steigungswinkel \theta ist der Winkel zwischen der Geraden und der positiven x-Achse. Er wird in Grad oder Bogenmaß gemessen und kann verwendet werden, um die Steigung einer Geraden zu bestimmen. Die Beziehung zwischen der Steigung m und dem Steigungswinkel \theta ist: m = tan(\theta)

Schritte zur Bestimmung der Steigung und des Steigungswinkels

  1. Zwei Punkte auf der Geraden wählen: Bestimme zwei Punkte (x1,y1) und (x2​,y2​) auf der Geraden.

  2. Steigung berechnen: Verwende die Formel für die Steigung: m =\frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}

  3. Steigungswinkel berechnen: Verwende den Tangens, um den Steigungswinkel zu bestimmen: \theta = tan^{-1}(m)

 

Zunächst musst du wissen, dass die Steigung bei linearen Funktionen immer konstant ist, d.h. in jedem Punkt gleich. Ausnahme bildet natürlich die Gerade, welche parallel zur x-Achse verläuft. Eine lineare Funktion hat die folgende allgemeine Funktionsgleichung:

Allgemeine Funktionsgleichung

f(x) = m x + b

 

Hierbei ist m die Steigung der Funktion. Die Steigung einer linearen Funktion ist sehr einfach zu bestimmen. Dazu suchst du dir einen Punkt auf der Funktion und gehst von dort aus einen Schritt in x-Richtung (waagerecht) und dann so viele Schritte in y-Richtung (senkrecht), bis du die Funktion wieder erreichst. Schauen wir uns das mal in der folgenden Grafik an:

Steigung linearer Funktionen | y-Richtung, x-Richtung
Steigung linearer Funktionen | y-Richtung, x-Richtung

 

Du siehst in der obigen Grafik eine lineare Funktion, für welche zwei Steigungen eingezeichnet sind. Die erste Steigung beginnt im Punkt P(1|0) auf der y-Achse. Von diesem Punkt ausgehend gehen wir beliebig 1 Schritt in x-Richtung. Danach müssen wir so viele Schritte in y-Richtung gehen, bis die Funktion erreicht wird. Demnach gehen wir 0,5 Schritte in y-Richtung.

 

Bei einer linearen Funktion kannst du auch mehr als einen Schritt in x-Richtung gehen, wie in der zweiten Steigung gezeigt. Dort beginnt die Steigung im Punkt P(2|2). Von dort gehen wir beliebig 2 Schritte in x-Richtung und dann 1 Schritt in y-Richtung, um die Funktion wieder zu erreichen.

 

Die Steigung bestimmt sich dann wie folgt:

Steigung | Formel

\frac{\text{Schritte in y-Richtung}}{\text{Schritte in x-Richtung}}

 

Setzen wir nun für beide Steigungen die Schritte ein, so erhalten wir:

m = \dfrac{0,5}{1} = 0,5

m = \dfrac{1}{2} = 0,5

 

Die Steigung ist für beide identisch, denn bei linearen Funktionen ist die Steigung in jedem Punkt gleich.

 

Steigung aus zwei Punkten

Die Steigung einer linearen Funktion kann auch mithilfe von zwei Punkten P und Q – die auf dem Funktionsgraphen liegen – berechnet werden. Sind also zwei Punkte gegeben und du sollst daraus die Steigung berechnen, dann wendest du die folgende Gleichung an:

m = \dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}

 

Hast du also zwei Punkte gegeben, so ziehst du im Zähler die beiden y-Koordinaten voneinander ab und im Nenner die beiden x-Koordinaten.

Schauen wir uns dazu mal ein Beispiel an:

Beispiel: Steigung aus zwei Punkten!

Gegeben seien die beiden Punkte P (2|1) und Q(1|3).

Bestimme die Steigung!

Du hast zwei Punkte gegeben. Du kannst jetzt zum Beispiel die Funktion zeichnen, indem du beide Punkte einträgst und diese dann miteinander verbindest (nur bei linearen Funktionen möglich). Dann hast du die Funktion gezeichnet und kannst wie oben bereits gezeigt die Steigung bestimmen. Hast du aber keine Zeit/Möglichkeit/Notwendigkeit die Funktion zu zeichnen, dann kannst du die Steigung auch ganz einfach rechnerisch aus den beiden Punkten ermitteln:

m = \dfrac{3 - 1}{1-2} = \dfrac{2}{-1} = -2

oder

m = \dfrac{1-3}{2-1} = \dfrac{-2}{1} = -2

 

Es ergibt sich eine Steigung von -2. Da die Steigung negativ ist, handelt es sich hier um eine fallende Funktion.

Welchen Punkt du von welchem abziehst ist egal, es resultiert dasselbe Ergebnis. Merke dir nur, dass der y-Wert und der x-Wert eines Punktes untereinander stehen müssen. 

 

Steigungswinkel

Der Steigungswinkel ist nichts anderes als der Winkel von der Funktion zur Waagerechten. Es wird auch häufig von einem Neigungswinkel gesprochen. So kennst du mit Sicherheit das folgende Straßenschild:

Neigungswinkel, Steigungswinkel
Neigungswinkel

 

Dieses Straßenschild zeigt die Steigung der Straße von 10% auf. Die 10%-Steigung bezieht sich auf die Waagerechte. Wir wollen uns nun anschauen, wie der Steigungswinkel berechnet wird. Schauen wir uns dazu die folgende Grafik mal genauer an:

Steigung und Steigungswinkel linearer Funktionen
Steigung und Steigungswinkel linearer Funktionen

 

In der obigen Grafik siehst du eine lineare Funktion, für welche die Steigung eingezeichnet ist.

Aus der Steigung kannst du den Steigungswinkel der Funktion ganz einfach mittels der Trigonometrie am rechtwinkligen Dreieck berechnen. Das Steigungsdreieck ist nämlich nichts anderes als ein rechtwinkliges Dreieck. Der rechte Winkel (=90°-Winkel) ist oben mit einem Punkt eingezeichnet.

Wir suchen den Steigungswinkel \alpha. Dies ist der Winkel von der Funktion zur Waagerechten.

 

Steigungswinkel bestimmen

Betrachten wir die obige Grafik. Hier ist die waagerechte Linie des Steigungsdreiecks die Ankathete (liegt an dem Winkel \alpha), die senkrechte Linie die Gegenkathete (liegt gegenüber vom Winkel \alpha). Demnach können wir hier den Tanges anwenden:

\tan(\alpha) = \frac{\text{Gegenkathete}}{\text{Ankathete}} = \frac{-1}{4}.

 

Die rechte Seite vom Gleichheitszeichens entspricht genau der Steigung m. Somit ergibt sich also der Zusammenhang, dass die Steigung m und der Tangens des gesuchten Steigungswinkels \alpha gleich sind:

m = \tan(\alpha)

 

Wir können aus diesem Zusammenhang als nächstes den Steigungswinkel berechnen:

-0,25 = \tan{\alpha}

 

Um nun daraus den Winkel \alpha berechnen zu können, musst du auf beiden Seiten die Umkehrfunktion des Tangens anwenden, den Arkustangens (\tan^{-1}). Auf der rechten Seite fällt der Tangens weg, auf der linken Seite bleibt er stehen:

\tan^{-1}(-0,25) = \alpha

 

Du kannst die linke Seite nun in den Taschenrechner eingeben und erhältst:

-14,04^\circ = \alpha

 

Der Winkel von der Waagerechten zur Funktion beträgt 14,04°. Das Minuszeichen zeigt dir an, dass es sich hierbei um eine Funktion handelt, die eine negative Steigung aufweist.

Merk’s dir!

Ist ein positiver Winkel gegeben, so ist die Steigung ebenfalls positiv. Die Funktion steigt demnach. Um eine steigende Funktion zu erhalten musst du den Winkel von der Waagerechten ausgehend in einer Linksdrehung abtragen.

Bei einem negativen Winkel ist auch die Steigung negativ. Es handelt sich dann um eine fallende Funktion. In diesem Fall musst du den Winkel von der Waagerechten ausgehend in einer Rechtsdrehung abtragen.

 

Lernclips | Steigung und Steigungswinkel bestimmen

In den folgenden drei Videos zeigt Jessica dir, wie du die Steigung und den Steigungswinkel bestimmst und wie du aus einem gegebenen Punkt und dem Steigungswinkel die Funktion zeichnerisch ermittelst.


Lernclips: Steigung und Steigungswinkel bestimmen!

 

Schauen wir uns nun mal ein Paar Aufgaben zur Berechnung des Steigungswinkels an:

 

Steigungswinkel bestimmen

Wir betrachten als nächstes zwei Aufgaben zur Berechnung des Steigungswinkels von linearen Funktionen.

 

Aufgabe 1 : Steigungswinkel bestimmen

Aufgabenstellung

Gegeben sei eine lineare Funktion mit einer Steigung von m = 0,8. Die Funktion verläuft durch den Punkt P(0|2).

Bestimme den Steigungswinkel der Funktion!

Zeichne die Funktion!

Lösung

Der Steigungswinkel wird aus der Steigung ganz einfach mittels Tangens bestimmt:

\tan(\alpha) = m

\tan(\alpha) = 0,8

 

Als nächstes müssen wir die untere Gleichung nach dem Winkel \alpha auflösen, indem wir den Arkustangens auf beiden Seiten anwenden. Auf der linken Seite bleibt der Winkel stehen, auf der rechten Seite muss der Arkustangens berücksichtigt werden.

\alpha = \tan^{-1} (0,8)

 

Das Ergebnis ist:

m = 38,66^\circ

 

Der Winkel von der Funktion zur Waagerechten beträgt 38,66°.  Die Steigung ist positiv, demnach ist auch der Winkel positiv. Es handelt sich also um eine steigende Funktion.

Wir wissen nun also, dass die Funktion steigend ist und einen Winkel zur Waagerechten von 38,66° aufweist. Des Weiteren kennen wir einen Punkt P(0|2), durch welchen die Funktion verläuft. Wir können nun ganz einfach die Funktion einzeichnen, indem wir vom gegebenen Punkt ausgehend eine waagerechte Linie zeichnen (Hilfslinie) und dann einen Winkel von 38,66° (in einer Linksdrehung) abtragen. Die Linksdrehung deshalb, weil der Winkel positiv ist und sich eine steigende Funktion ergeben muss.

Beispiel: Steigungswinkel

 

Aufgabe 2 : Steigungswinkel bestimmen

Aufgabenstellung

Gegeben sei die folgende lineare Funktion:

f(x) = -1,6 x + 4

Bestimme den Steigungswinkel der Funktion!

Lösung

Um den Steigungswinkel bestimmen zu können, benötigen wir die Steigung der Funktion. Du solltest bereits wissen, dass eine lineare Funktion die folgende allgemeine Funktionsgleichung aufweist:

f(x) = mx + b

 

Hierbei ist m die Steigung der Funktion. In der gegebenen Funktionsgleichung ist also die Steigung m = -1,6. Wir können nun den Steigungswinkel berechnen:

\tan(\alpha) = m

\tan(\alpha ) = -1,6

\alpha = \tan^{-1} (-1,6)

\alpha = -57,99^\circ

 

Der Steigungswinkel der Funktion beträgt -57,99°. Das negative Vorzeichen gibt – wie bei der Steigung – an, dass die Funktion fällt.

Beispiel: Neigungswinkel berechnen

 

Bei dieser Variante kannst du entweder die Funktion mittels Funktionsgleichung zeichnen, indem du für x die Werte einsetzt. Alternativ ziehst du, ausgehend vom Schnittpunkt der Funktion mit der y-Achse (b = 4),  eine waagerechte Hilfslinie und trägst den Winkel \alpha = 57,99^\circ in einer Rechtsdrehung (da negativ) von der Waagerechten ausgehend ab. Es handelt sich um eine Funktion mit einer negativen Steigung, demnach ist auch der Winkel negativ und die Funktion fällt. Die Angabe der Winkel erfolgt immer als Betrag (ohne Vorzeichen).

 

Anwendung der Steigung und des Steigungswinkels

  • Mathematik: Analyse von linearen Funktionen und Graphen.
  • Physik: Bestimmung von Winkeln und Steigungen in mechanischen Systemen.
  • Ingenieurwesen: Berechnung von Neigungen und Gefällen in Bauprojekten.

 

Mögliche Fragestellungen | Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Was ist die Steigung einer Geraden?

  • Die Steigung ist das Verhältnis der Änderung der y-Koordinate zur Änderung der x-Koordinate zwischen zwei Punkten auf der Geraden.

2. Wie berechnet man die Steigung?

  • Verwende die Formel m = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}

3. Was ist der Steigungswinkel?

  • Der Steigungswinkel ist der Winkel zwischen der Geraden und der positiven x-Achse und wird durch \theta = tan^{-1}(m) berechnet.

4. Wie hängen Steigung und Steigungswinkel zusammen?

  • Die Steigung m ist der Tangens des Steigungswinkels \theta.

5. Warum sind Steigung und Steigungswinkel wichtig?

  • Sie sind grundlegende Konzepte in der Mathematik und finden Anwendung in vielen Bereichen wie Physik und Ingenieurwesen.

 

Zusammenfassung

Die Steigung und der Steigungswinkel sind grundlegende Konzepte zur Beschreibung der Steilheit einer Geraden. Die Steigung ist das Verhältnis der Änderung der y-Koordinate zur Änderung der x-Koordinate, während der Steigungswinkel der Winkel zwischen der Geraden und der positiven x-Achse ist.

Die Steigung kann durch die Formel m = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} berechnet werden, und der Steigungswinkel durch \theta = tan^{-1}(m).

Diese Konzepte sind in der Mathematik, Physik und Ingenieurwesen weit verbreitet und von großer Bedeutung.

 

Was kommt als Nächstes?

In der folgenden Lerneinheit zeigen wir dir, wie du die Funktionsgleichung von linearen Funktionen bestimmst.

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