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Aufgabe:

Die Flugbahn einer Kugel kann annähernd durch eine quadratische Funktion beschrieben werden:
y=b1+b2⋅x+b3⋅x2,
wobei x die zurückgelegten Meter der Kugel, y die Höhe der Kugel in Metern, und b1,b2,b3 die Parameter der Kugel bezeichnen.

Es liegen folgende vier empirische Messungen vor:

xi: 4 9 16 19
yi: 92 173 208 208
a. Ermitteln Sie den Parameter b1 der Flugbahn.
b. Ermitteln Sie den Parameter b2 der Flugbahn.
c. Ermitteln Sie den Parameter b3 der Flugbahn.
d. Welche Flughöhe erreicht die Kugel nach 27 Metern?
e. In welcher Entfernung trifft die Kugel auf dem Boden auf?


Problem/Ansatz:

Hallo zusammen! Ich bräuchte einmal eine kurze Hilfe! Ich weiß dass es mit Matrixen zu rechnen ist, wodurch ein Gleichungssystem mit 3 Unbekannten entsteht.

92=b1+4*b2+4^2*b3

173=b1+9*b2+9^2*b3

208=b1+16*b2+16^2*b3

Für b1 habe ich 2213, für b2 -810,466 und für b3 64,866 herausbekommen. Diese Werte kommen mir aber irgendwie nicht richtig vor. Hat jemand vielleicht einen Rechenansatz?

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Aloha :)

Du hast hier ein übebestimmtes Gleichungssystem, d.h. mehr Gleichungen als Variablen:$$\left(\begin{array}{rrr}1 & 4 & 16\\1 & 9 & 81\\1 & 16 & 256\\1 & 19 & 361\end{array}\right)\begin{pmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}92\\173\\208\\208\end{pmatrix}$$

Solche Gleichungssysteme sind in der Regel nicht perfekt lösbar, das heißt die Messpunkte liegen nicht perfekt auf der theoretisch ermittelten Funktion. Trotzdem kann man die Funktionsparameter so bestimmen, dass die Summe der Quadrate der Abweichungen minimal wird (Gauß'sche Methode der kleinsten Quadrate). Dazu musst du von links mit der transponierten Koeffizientenmatrix multiplizieren:$$\left(\begin{array}{rrrr}1 & 1 & 1 & 1\\4 & 9 & 16 & 19\\16 & 81 & 256 & 361\end{array}\right)\left(\begin{array}{rrr}1 & 4 & 16\\1 & 9 & 81\\1 & 16 & 256\\1 & 19 & 361\end{array}\right)\begin{pmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{pmatrix}=\left(\begin{array}{rrrr}1 & 1 & 1 & 1\\4 & 9 & 16 & 19\\16 & 81 & 256 & 361\end{array}\right)\begin{pmatrix}92\\173\\208\\208\end{pmatrix}$$$$\left(\begin{array}{rrr}4 & 48 & 714\\48 & 714 & 11748\\714 & 11748 & 202674\end{array}\right)\begin{pmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}681\\9205\\143821\end{pmatrix}$$Dieses Gleichungssystem ist eindeutig lösbar:$$\begin{pmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2,8111\\25,7312\\-0,7918\end{pmatrix}$$

Die Flugbahn wird also am besten beschrieben durch:$$y(x)=2,8111+25,7312\cdot x-0,7818\cdot x^2$$

~plot~ {4|92} ; {9|173} ; {16|208} ; {19|208} ; 2,8111+25,7312*x-0,7818*x^2 ; [[-1|36|0|220]] ~plot~

Nach \(x=27\) Metern beträgt die Höhe \(y(27)\approx127,62\) Meter.

Die zweite Nullstelle der Parabel liegt bei \(x\approx33,02\) Meter, also trifft die Kugel dort auf den Boden auf.

Avatar von 152 k 🚀

Vielen lieben dank! Du hast mir das super verständlich erklärt!!

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