Proportionale Funktionen
Lehrplan 21
MA.3.A.3.dGrundanspruchWertetabellen zu proportionalen Zusammenhängen mit Geldbeträgen beschreiben und weiterführenMA.3.A.3.eFunktionale Zusammenhänge in Wertetabellen erfassen (z.B. Distanz bei Geschwindigkeit); proportionale Beziehungen berechnenMA.3.C.2.eProportionalitäten in Sachsituationen erkennen; Informationen aus Sachtexten, Tabellen, Diagrammen verarbeitenMA.3.C.2.fProportionale und lineare Zusammenhänge in Sachsituationen erkennen (Erw: indirekt proportionale); Wertepaare und Funktionsgraphen im Koordinatensystem darstellen; Alltagssituationen in mathematische Sprache übersetzen
Quelle: Aargauer Lehrplan Volksschule, Fachbereich Mathematik (August 2022)
Eine kleine Zeitreise
Abschnitt betitelt „Eine kleine Zeitreise“Proportionale Zusammenhänge sind so alt wie das Rechnen selbst. Schon vor rund 4000 Jahren nutzten babylonische Händler proportionales Denken – auch wenn sie es nicht so nannten. Auf Tontafeln aus dem alten Mesopotamien finden sich Tabellen, die Warenmengen und Preise in einem gleichbleibenden Verhältnis auflisteten. Die Händler wussten: Doppelte Menge bedeutet doppelter Preis.
Die alten Ägypter gingen noch weiter. Beim Bau der Pyramiden mussten Architekten Neigungswinkel berechnen. Sie verwendeten dabei ein Mass namens «Seqed», das genau das Verhältnis von Steigung zu Höhe beschrieb. Im Kern war das nichts anderes als unser heutiger Proportionalitätsfaktor .
Der griechische Mathematiker Euklid, der etwa 300 v. Chr. in Alexandria lehrte, fasste proportionale Zusammenhänge erstmals systematisch in seiner Werkreihe «Elemente» zusammen. Er formulierte, dass zwei Grössen proportional sind, wenn ihr Verhältnis konstant bleibt. Diese Idee klingt einfach – sie war aber ein fundamentaler Schritt in der Geschichte der Mathematik.
Im Mittelalter übertrugen arabische Gelehrte wie al-Khwarizmi diese Erkenntnisse und entwickelten erste algebraische Schreibweisen. Das Wort «Algebra» selbst stammt aus dem Arabischen. Al-Khwarizmi beschrieb proportionale Zusammenhänge mit Worten, noch nicht mit Symbolen wie .
Die moderne Formelschreibweise entstand erst im 17. Jahrhundert. René Descartes und Pierre de Fermat entwickelten die Koordinatengeometrie. Plötzlich konnte man Gleichungen als Kurven zeichnen. Die proportionale Funktion erschien als das, was sie bis heute ist: eine schnurgerade Linie durch den Ursprung.
Heute begegnet dir diese uralte Idee im Supermarkt, auf dem Benzinpreisschild oder im Physikunterricht. Das Prinzip ist dasselbe wie auf jenen babylonischen Tontafeln – nur die Schreibweise hat sich verändert.
Die Grundlagen
Abschnitt betitelt „Die Grundlagen“Bleiben wir beim Apfelbeispiel. Du kannst eine kleine Tabelle aufstellen:
| Anzahl Äpfel () | Preis in CHF () | Quotient |
|---|---|---|
| 1 | 0.50 | 0.50 |
| 2 | 1.00 | 0.50 |
| 3 | 1.50 | 0.50 |
| 4 | 2.00 | 0.50 |
Der Quotient ist immer gleich. Das ist das entscheidende Merkmal. Du siehst: Der Preis ist immer die Anzahl mal 0.50. Es gilt also: .
In der Mathematik nutzen wir Variablen. Die Anzahl nennen wir , den Preis . Den gleichbleibenden Faktor kürzen wir mit ab.
Der Proportionalitätsfaktor gibt an, um wie viel zunimmt, wenn um 1 wächst. In unserem Beispiel gilt . Das bedeutet: Für jeden zusätzlichen Apfel zahlst du 50 Rappen mehr.
Null Äpfel kosten null Franken. Der Graph geht deshalb zwingend durch den Ursprung. Das ist kein Zufall, sondern ergibt sich direkt aus der Formel: Setzt du ein, erhältst du .
Die Kernmethode
Abschnitt betitelt „Die Kernmethode“Wenn du Aufgaben zu proportionalen Funktionen löst, begegnest du immer wieder drei Grundsituationen. Für jede gibt es eine klare Vorgehensweise.
Diese drei Formeln sind nichts anderes als dieselbe Gleichung – einmal nach , einmal nach und einmal nach aufgelöst.
Beim Lösen von Textaufgaben hilft dir ein festes Vorgehen:
- Lies die Aufgabe genau. Was ist gegeben? Was wird gefragt?
- Benenne die Variablen. Was ist , was ist ?
- Bestimme , falls nicht gegeben.
- Setze in die passende Formel ein.
- Überprüfe das Ergebnis mit einer kurzen Probe.
Dieses Schema funktioniert für alle Aufgaben zu proportionalen Funktionen – von einfachen Berechnungen bis zu komplexen Textaufgaben.
Beispiel 1: Preis von Brötchen
Abschnitt betitelt „Beispiel 1: Preis von Brötchen“Ein Brötchen kostet CHF 1.20. Die Funktion für den Gesamtpreis lautet , wobei die Anzahl der Brötchen und der Preis in Franken ist.
Frage: Wie viel kosten 7 Brötchen?
Lösung:
Der Proportionalitätsfaktor ist bereits bekannt: .
Du suchst bei . Du verwendest Situation 1.
Probe: ✓
7 Brötchen kosten CHF 8.40.
Beispiel 2: Geschwindigkeit eines Autos
Abschnitt betitelt „Beispiel 2: Geschwindigkeit eines Autos“Ein Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit. Nach 3 Stunden hat es 210 km zurückgelegt.
Frage: Wie lautet die Funktionsgleichung? Wie weit fährt das Auto in 5 Stunden?
Lösung:
= Zeit in Stunden, = Strecke in km.
Zuerst bestimmst du (Situation 3):
Die Funktionsgleichung lautet . Der Faktor entspricht der Geschwindigkeit in km/h.
Für 5 Stunden (Situation 1):
Probe: ✓
Das Auto fährt in 5 Stunden 350 km.
Die häufigsten Stolpersteine
Abschnitt betitelt „Die häufigsten Stolpersteine“Beispiel 3: Rückwärtsrechnung mit Luftballons
Abschnitt betitelt „Beispiel 3: Rückwärtsrechnung mit Luftballons“Für eine Geburtstagsparty kaufst du Luftballons. Der Preis ist proportional zur Anzahl. Für 12 Luftballons zahlst du CHF 9.00.
Frage: Wie viele Luftballons bekommst du für CHF 15.00?
Lösung:
= Anzahl Luftballons, = Preis in CHF.
Zuerst bestimmst du den Preis pro Luftballon (Situation 3):
Ein Luftballon kostet CHF 0.75.
Jetzt berechnest du die Anzahl Luftballons für CHF 15.00 (Situation 2):
Probe: ✓
Für CHF 15.00 bekommst du 20 Luftballons.
Beispiel 4: Benzinverbrauch beim Tanken
Abschnitt betitelt „Beispiel 4: Benzinverbrauch beim Tanken“Ein Auto verbraucht auf der Autobahn konstant 7 Liter Benzin pro 100 km. Benzin kostet CHF 1.90 pro Liter.
Frage: Was kostet eine Fahrt von 350 km?
Lösung:
Schritt 1: Wie viel Benzin braucht das Auto für 350 km?
Der Verbrauch ist proportional zur Strecke. Liter pro km.
Schritt 2: Was kosten 24.5 Liter?
Der Preis ist proportional zur Liter-Anzahl. CHF pro Liter.
Probe: ✓
Die Fahrt von 350 km kostet CHF 46.55.
Vertiefung
Abschnitt betitelt „Vertiefung“Du kennst jetzt die proportionale Funktion der Form . Aber was passiert, wenn verschiedene Werte annimmt? Und wie hängt die proportionale Funktion mit anderen Funktionen zusammen?
Der Graph bei verschiedenen Werten von
Je grösser , desto steiler ist die Gerade. Bei wächst fünfmal so schnell wie . Bei wächst nur langsam. Bei liegt die Gerade genau diagonal – jeder Schritt nach rechts ist gleichzeitig ein Schritt nach oben.
Bei negativem fällt die Gerade von links nach rechts. Bei nimmt mit jedem Schritt um 3 ab.
Zusammenhang mit linearen Funktionen
Die proportionale Funktion ist ein Spezialfall der linearen Funktion:
Zusammenhang mit der direkten Proportionalität
Im Sachunterricht kennst du vielleicht den Begriff «direkte Proportionalität». Das ist dasselbe Konzept – nur ohne Funktionsschreibweise. Zwei Grössen sind direkt proportional, wenn ihr Quotient konstant ist. Das entspricht genau dem Proportionalitätsfaktor .
Zusammenhang mit der Steigung
In der Geometrie heisst auch «Steigung». Sie gibt an, wie stark eine Gerade ansteigt. Gehst du einen Schritt nach rechts (also nimmt um 1 zu), steigt die Gerade um Einheiten. Bei einer Bergstrasse würde bedeuten: 8 cm Höhengewinn pro 100 cm Strasse – also 8 % Steigung.
Beispiel 5: Vergleich zweier proportionaler Funktionen
Abschnitt betitelt „Beispiel 5: Vergleich zweier proportionaler Funktionen“Zwei Taxiunternehmen berechnen den Preis nur nach Kilometern (ohne Grundgebühr).
- Taxi A: CHF 2.50 pro km
- Taxi B: CHF 1.80 pro km
Frage: Stelle beide Funktionsgleichungen auf. Bei welcher Strecke kostet Taxi A genau doppelt so viel wie Taxi B?
Lösung:
Taxi A:
Taxi B:
Du suchst , sodass gilt:
Diese Gleichung gilt nur für . Das bedeutet: Bei keiner positiven Strecke kostet Taxi A genau doppelt so viel wie Taxi B. Das Verhältnis ist konstant – egal wie weit du fährst.
Fazit: Bei proportionalen Funktionen ist das Verhältnis der Funktionswerte für alle gleich.
Übungen
Abschnitt betitelt „Übungen“Die folgenden 10 Aufgaben sind nach steigendem Schwierigkeitsgrad geordnet. Löse sie zunächst selbst. Die Lösungen findest du am Ende des Artikels.
Aufgabe 1 (Einfach) Eine proportionale Funktion lautet . Berechne für .
Aufgabe 2 (Einfach) Gegeben ist . Berechne für .
Aufgabe 3 (Einfach) Für gilt . Berechne den Proportionalitätsfaktor .
Aufgabe 4 (Mittel) Ein Drucker druckt 12 Seiten pro Minute. Schreibe die Funktionsgleichung auf ( = Minuten, = Seiten). Berechne, wie lange der Drucker für 90 Seiten braucht.
Aufgabe 5 (Mittel) Für eine proportionale Funktion gilt: Bei ist . Berechne für .
Aufgabe 6 (Mittel) Ein Rezept braucht für 4 Personen 320 g Mehl. Wie viel Mehl braucht man für 7 Personen? (Proportionale Funktion aufstellen und lösen.)
Aufgabe 7 (Mittel) Ist die folgende Tabelle eine proportionale Funktion? Begründe deine Antwort.
| 2 | 4 | 6 | 8 | |
|---|---|---|---|---|
| 7 | 14 | 21 | 28 |
Aufgabe 8 (Schwerer) Ein Zug fährt mit konstanter Geschwindigkeit. Um 10:00 Uhr steht er bei km 120. Um 12:00 Uhr steht er bei km 260. Stelle eine proportionale Funktion auf, bei der die Fahrtzeit in Stunden seit 10:00 Uhr und die zurückgelegte Strecke seit 10:00 Uhr angibt. Wo befindet sich der Zug um 13:30 Uhr?
Aufgabe 9 (Schwerer) Der Preis für Strom ist proportional zur verbrauchten Energie. Du zahlst für 350 kWh genau CHF 87.50. Du hast am Monatsende eine Rechnung von CHF 112.00 erhalten. Wie viel kWh hast du verbraucht?
Aufgabe 10 (Anspruchsvoll) Zwei Freunde laufen eine Strecke. Lena läuft mit km/h, Jonas mit km/h. Beide starten gleichzeitig am selben Punkt. Nach wie vielen Stunden hat Lena einen Vorsprung von 5 km auf Jonas? Stelle für beide eine Funktionsgleichung auf und löse die Aufgabe.
Das Wichtigste in Kürze
Abschnitt betitelt „Das Wichtigste in Kürze“Proportionale Funktionen beschreiben Zusammenhänge, bei denen zwei Grössen immer im gleichen Verhältnis stehen. Die Formel ist ihr Erkennungszeichen. Der Graph ist eine Gerade durch den Ursprung .
Der Proportionalitätsfaktor bestimmt, wie steil die Gerade ist. Drei Formeln decken alle Grundaufgaben ab: , und .
Eine proportionale Funktion ist ein Spezialfall der linearen Funktion mit -Achsenabschnitt .
Du begegnest proportionalen Funktionen täglich: beim Einkaufen, beim Berechnen von Strecken und Zeiten, beim Tanken und beim Umrechnen von Einheiten.
Lösung anzeigen
Du setzt in die Formel ein und multiplizierst. Das Ergebnis ist .
Lösung anzeigen
Die Funktionsgleichung lautet , wobei die Liter und die Minuten sind. Für 120 Liter gilt Situation 2:
Es dauert 15 Minuten.
Lösung anzeigen
Nein, das ist keine proportionale Funktion. Die Gleichung enthält den Summanden . Für ergibt sich , nicht . Der Graph geht deshalb nicht durch den Ursprung. Es handelt sich um eine lineare Funktion mit -Achsenabschnitt .
Lösung anzeigen
Zuerst berechnen (Situation 3):
Die Funktionsgleichung lautet . Für (Situation 1):
Lösung anzeigen
Nur ist proportional. Sie geht durch den Ursprung. ist linear, aber nicht proportional. Sie schneidet die -Achse bei . Beide liefern niemals denselben -Wert:
Das ist ein Widerspruch. Die beiden Geraden sind parallel – sie schneiden sich nie.
Ausblick
Abschnitt betitelt „Ausblick“Proportionale Funktionen sind dein Einstieg in die Welt der linearen Funktionen. Im nächsten Schritt lernst du die allgemeine lineare Funktion kennen. Der zusätzliche Term verschiebt die Gerade nach oben oder unten – weg vom Ursprung.
Später im Gymnasium begegnest du quadratischen Funktionen, Exponentialfunktionen und trigonometrischen Funktionen. Sie alle bauen auf dem Grundgedanken auf, den du hier gelernt hast: Ein Zusammenhang zwischen zwei Grössen lässt sich als Formel und als Graph darstellen.
Proportionales Denken hilft dir auch in Physik, Chemie und Wirtschaft – überall, wo Verhältnisse eine Rolle spielen.
Lösungen
Abschnitt betitelt „Lösungen“Lösung Aufgabe 1
Gegeben: ,
Lösung Aufgabe 2
Gegeben: ,
Lösung Aufgabe 3
Gegeben: ,
Der Proportionalitätsfaktor ist .
Lösung Aufgabe 4
Die Funktionsgleichung lautet .
Für 90 Seiten brauchst du die Zeit :
Der Drucker braucht 7.5 Minuten, also 7 Minuten und 30 Sekunden.
Lösung Aufgabe 5
Zuerst bestimmen:
Funktionsgleichung:
Für :
Lösung Aufgabe 6
= Personen, = Mehl in Gramm.
Für 7 Personen:
Für 7 Personen braucht man 560 g Mehl.
Lösung Aufgabe 7
Berechne den Quotienten für jedes Paar:
Der Quotient ist konstant: . Die Tabelle beschreibt die proportionale Funktion .
Ja, es handelt sich um eine proportionale Funktion.
Lösung Aufgabe 8
Zwischen 10:00 und 12:00 Uhr vergehen 2 Stunden. Der Zug legt zurück:
Funktionsgleichung (Strecke seit 10:00 Uhr):
Um 13:30 Uhr sind 3.5 Stunden seit 10:00 Uhr vergangen:
Der Zug befindet sich um 13:30 Uhr bei km .
Lösung Aufgabe 9
= kWh, = Kosten in CHF.
Für CHF 112.00:
Du hast 448 kWh verbraucht.
Lösung Aufgabe 10
Lena:
Jonas:
Der Vorsprung von Lena ist :
Nach 2.5 Stunden hat Lena einen Vorsprung von 5 km auf Jonas.
Probe: km, km. Vorsprung: km ✓
Quellen
- Lehrplan 21 — Mathematik — Deutschschweizer Erziehungsdirektoren-Konferenz (D-EDK)
- Lehrplan Volksschule Aargau — Mathematik — Kanton Aargau, Departement Bildung, Kultur und Sport