T3 Vlaanderen Teachers Teaching with Technology - applicaties in de wiskundeles Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 1 Hans Bekaert Wat zijn applicaties en waar haal je ze? Flash-applicaties zijn programma’s die werken in het archief-geheugen (het flash-geheugen) van de rekenmachine. Ze betekenen een meerwaarde voor de rekenmachine omdat ze het toepassen van standaardfuncties op een gebruiksvriendelijke manier en met een aangepaste interface mogelijk maken. Een aantal applicaties vind je terug op de CD-rom die bij het rekentoestel wordt geleverd, maar alle applicaties zijn ook te downloaden van de website education.ti.com. Als je je bovendien aanmeldt als VIP, dan kun je de applicaties gratis downloaden via je eigen login. Eens de applicaties op je computer staan kun je ze via TI Connect naar je rekenmachine doorsturen. Gewoon een rechtermuisklik op de bestanden en kiezen voor Verzenden naar… TI Device. Ook het programma TI Connect is gratis te downloaden van de website education.ti.com Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 2 Transformation Graphing Transformation Graphing maakt het mogelijk om op een zeer eenvoudige manier de invloed van parameters op de grafiek van reële functies te onderzoeken. Als voorbeeld bekijken we de kwadratische functie f ( x ) ax 2 bx c met a 0 . 1. f(x) = A(x - C)2 + B 1.1 f(x) = x 2 Vertrekkende van de grafiek van de functie f ( x ) x 2 bouwen we de grafiek op van de functies f ( x ) A( x C )2 B . De grafiek van de functie f ( x ) x 2 is de verzameling van koppels die voldoen aan de vergelijking y x 2 . Om een eerste idee te bekomen van de grafiek definiëren we de volgende lijsten: L1=seq(X,X,-5,5) en L2 = L12. De puntenwolk (L1,L2) geeft een idee van de vorm van de grafiek. Het uitvoeren van het commando STAT<CALC> 5:QuadReg L1,L2,Y1 berekent de kwadratische functie door de koppels met als x-coördinaten de lijst L1 en y-coördinaten de lijst L2. De grafiek van de functie f ( x ) x 2 is de parabool met als vergelijking y x 2 . De parabool vormt een dal (opening naar boven) vandaar dat we deze parabool een dalparabool noemen. 1.2 f(x) = Ax 2 (A > 0) Start de applicatie Transformation Graphing en definieer de functie Y1=AX2. Gebruik de onderstaande WINDOW-settings en ga naar het grafische venster, [GRAPH]. Door te drukken op wordt de coëfficiënt verhoogd met 1. Onmiddellijk wordt de grafiek aangepast. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 3 Duidelijk geldt dat de grafiek van f(x) = Ax 2 (A >1) dezelfde kenmerken vertoont als de grafiek van f ( x ) x 2 , enkel de opening van de parabool verkleint. Om terug de grafiek van f ( x ) x 2 te bekomen, gebruiken we , maar dit kan ook door gewoon op 1 te drukken. Verander de Step-grootte in 0.2. Door te drukken op bekomen we A-waarden kleiner dan 1. Weer zien we dat de grafiek dezelfde kenmerken vertoont maar dat in dit geval de opening groter wordt. 1.3 f(x) = Ax 2 (A < 0) Stel de waarde van A terug gelijk aan 1 en kies voor Zstandard. Zet in de grafische instellingen (2nd[FORMAT]) de optie TrailOn aan. Verander de parameter A=1 in A=-1 door -1 in te tikken (Gebruik het (-)-teken !!!) Merk op dat de grafiek van f ( x ) x 2 het spiegelbeeld is van f ( x ) x 2 t.o.v. de x-as. Met de toetsen en bekomen we gelijkaardige grafieken ( A 0 ) als de grafiek van f ( x ) x 2 met een kleinere opening indien A 1 en een grotere opening indien 1 A 0 . Voor A 0 noemen we de grafiek van f(x) = Ax 2 een bergparabool (opening naar onder) Om de gestippelde grafieken van het scherm te wissen gebruik je DRAW - ClrDraw. 1.4 f(x) = Ax 2 + B Herdefinieer de functie: Y1=AX2+B. We veronderstellen B 0. Stel (via Settings) A=0.5 en B=0. Plot de grafiek in Zstandard. Plaats met de -toets de cursor bij de parameter B en verander de waarde van B. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 4 De grafiek van de functie f(x) = Ax 2 wordt over een afstand | B | , in verticale richting, verschoven. Indien B 0 wordt de parabool naar boven verschoven en indien B 0 naar onder. Enkele eigenschappen: De parabool y Ax 2 wordt verticaal over een afstand | B | verschoven zodat de top van de parabool behorende bij de functie f(x) = Ax 2 + B gelijk is aan (0, B) . Het domein blijft 0. en het beeld is gelijk aan [ B, [ indien A 0 en ] , B ] als A < 1.5 f(x) = A(x - C) 2 + B Herdefinieer de functie: Y1=A(X-C)2+B. We veronderstellen C 0 . Stel (via Settings) A=0.5, B=2 en C=0. Plot de grafiek in Zstandard. Plaats met de -toets de cursor bij de parameter C en verander de waarde van C. De grafiek van de functie f(x) = Ax 2 B wordt over een afstand | C | , in horizontale richting, verschoven. Indien C 0 wordt de parabool naar rechts verschoven en indien C 0 naar links. Enkele eigenschappen: De parabool behorende bij f(x) = Ax 2 B wordt over een afstand | C | horizontaal verschoven zodat de top van de parabool behorende bij de functie f(x) = A(x - C)2 + B gelijk is aan (C, B ) . Het domein blijft 0. en het beeld is gelijk aan [ B, [ indien A 0 en ] , B ] als A < 1.6 f(x) = ax 2 + bx + c Het functievoorschrift van een kwadratische functie f ( x ) ax 2 bx c kan altijd geschreven worden als de som van een volkomen kwadraat en een constante: ax 2 bx c a( x 2 b c b b2 b2 c b 2 b2 x ) a( x 2 2 2 2 ) a( x ) c a a 2a 4a a 2a 4a 4a Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 5 zodat f ( x ) a( x b 2 b 2 4ac ) . 2a 4a b b 2 4ac Uit het voorgaande volgt dat de top van de parabool gelijk is aan , . 4a 2a b De vergelijking van de symmetrieas is: x . 2a Het aantal snijpunten van de parabool met de x-as, de nulpunten van de kwadratische functie, is afhankelijk van de ligging van de top. 1.7 Een voorbeeld Beschouw de functie f ( x ) 2x 2 12x 14 . Er geldt: f ( x ) 2x 2 12x 14 2( x 2 6 x 7) 2( x 2 2 3 x 9 2) 2( x 3) ^ 2 4 . 2x 2 2( x 3) ^ 2 2( x 3) ^ 2 4 Transformation Graphing, kan slechts met één functievoorschrift werken. Het manipuleren van de coëfficiënten is beperkt tot A, B, C en D. Om een tweede grafiek op het scherm te plaatsen, kun je gebruik maken van de statistische lijsten. 2. Instellen van animaties De applicatie Transformation Graphing biedt de mogelijkheid om animaties te maken van functievoorschriften met veranderende parameterinstellingen. Beschouw de functie f(x) = A(x - C)2 + B . Je gaat als volgt te werk 1. Kies via Settings voor de PLAY-mode (>) of de PLAY FAST-mode (>>). 2. Selecteer de parameter (vb. A) die je wilt laten veranderen in de animatie. 3. Stel de stapgrootte in. 4. Zet de maximumwaarde in (maximum 13 stappen). 5. Druk op om te starten en op om te stoppen. 3. Oefeningen Oefening 1 Beschouw de functie f(x) = 2x +1 . Ga na hoe deze functie een transformatie is van de x -1 1 . Teken de grafiek van f(x) en transformeer de grafiek van g(x) met behulp x van Transformation Graphing. Maak gebruik van een Euclidische deling om de gevonden transformaties te bevestigen. functie g(x) = Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 6 Oefening 2 Beschouw de functie f(x) = A sin(B(x - C)) + D . Stel een animatie in, die de invloed van de parameter A op de amplitude illustreert. Stel een animatie in van de parameter die de periode beïnvloedt. Ga na hoe de periode vergroot en verkleint. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 7 Inequality Graphing In heel wat toepassingen is het nodig om een gebied in het vlak, begrensd door meerdere functies, te berekenen. Inequality Graphing laat toe zo’n gebied snel grafisch voor te stellen. Voor verdere berekeningen zijn sommige snijpunten van de grafieken belangrijk. Met deze applicatie kan men deze interessante punten opsporen en eventueel opslaan in lijsten. We bekijken twee voorbeelden. 1. Een optimalizatieprobleem (Lineair Programmeren) Een meubelfabrikant, in stoelen en tafel (beide één model), heeft twee productie-afdelingen. Afdeling 1 doet bewerkingen, heeft een capaciteit van 400 uren per week en de nodige bewerkingen voor een stoel vergen 1 uur en voor een tafel 2 uren. Afdeling 2 doet montage en heeft een capaciteit van 600 uren per week. Voor de montage van een stoel heeft men 1 uur nodig en voor een tafel 4 uren. De winst per stoel bedraagt € 20 en € 50 voor een tafel. Bepaal het productieprogramma per week met een maximale winst indien we veronderstellen dat alle stoelen en tafels verkocht worden. Oplossing Stel: x = het aantal geproduceerde stoelen per week, y = het aantal geproduceerde tafels per week. De totale winst per week wordt bepaald door W 20x 50y . Er moet rekening gehouden worden met de voorwaarden: Afdeling 1: x 2y 400 Afdeling 2: x 4y 600 x 0, y 0. Deze voorwaarden bepalen een begrensd gebied in het vlak waarover we moeten optimaliseren. We bepalen dit gebied als volgt. We nemen hierbij een aangepaste schaal. (4 = 400 uren en 6 = 600 uren). Start Inequal en definieer de volgende functies. Y1=0.5(4-X) Y2=0.25(6-X) Y3=0 Plaats dan de cursor op de gelijkheidstekens om deze te veranderen in ongelijkheidstekens. Onderaan het scherm verschijnen de ongelijkheidstekens die als volgt geactiveerd worden: F1 F2 F5 F4 F3 Om de voorwaarde X 0 in te voeren plaatsen we de cursor, in het Y=-scherm, bovenaan op X= en drukken op . Definieer X1 0 en plot de ongelijkheden met de volgende onderstaande WINDOW-settings. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 8 Kies via F1 voor 1. Ineq Intersection om het gebied, de doorsnede, te arceren. Door achtereenvolgens op en te drukken verdwijnt het menu onderaan. Om dit menu opnieuw te activeren, druk opnieuw op . De optie Pol-Trace, F3, bepaalt o.a. de hoekpunten van de vierhoek. Met de toetsen en selecteer je de ongelijkheid Yn of Xn en met en de snijpunten van Yn of Xn met de andere ongelijkheden. De coördinaten van de snijpunten verschijnen onderaan het scherm. Om deze coördinaten te bewaren drukken we op . De coördinaten worden toegevoegd aan de lijsten LINEQX (x-coördinaat) en LINEQY (y-coördinaat). Bepaal op deze manier alle hoekpunten. Selecteer in de applicatielijst opnieuw Inequality Graphing om af te sluiten en verwijder alle gedefinieerde functievoorschriften. Merk op dat bij niet-lineaire krommen deze Pol-trace functie slechts één snijpunt kan vinden. Om het gebied opnieuw te plotten, definiëren we de XY-lijn (LINEQX, LINEQY). We bekijken met Transformation Graphing wanneer de functie W maximaal is op de bekomen 1 vierhoek. Definieer de functie A=20X+50Y1 Y1= (A-20X). 50 Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 9 De parameter A bepaalt de totale winst. Indien we de parameter laten variëren, zien we grafisch dat de maximale winst zal aangenomen worden in één van de hoekpunten. In dit geval in het hoekpunt (2,1). In dit hoekpunt geldt: 20 200 50 100 9000 euro. Dit resultaat bekomen we ook door in alle hoekpunten de winst te berekenen en het maximum van deze waarden te nemen. 2. Oppervlakte berekening met integralen. Bepaal de oppervlakte van het gebied begrensd door y 2 4 x en y 2x 4 . Definieer de functies Y1=2§X, Y2=-2§X en Y3=2X-4. Aan de hand van deze plot kunnen de ongelijkheden bepaald worden om het gebied te arceren. Met Pol-Trace kunnen we de integratiegrenzen bepalen, nl. van 0 tot 1 en van 1 tot 4, zodat 1 4 0 1 de oppervlakte gelijk is aan: (Y1 Y 2) (Y1 Y3) . Uitgewerkt geeft dit: 1 0 4 1 4 xdx (2 x 2 x 4)dx 4 1 0 4 xdx 2 1 4 4 xdx 2 xdx 4dx 9 . 1 1 Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 10 Ter controle van de berekening kunnen we gebruik maken van het commando fnInt. Merk op dat arceringen ook gerealiseerd kunnen worden via Shade(lagerefunctie,hogerefunctie,ondergrens,bovengrens,patroon,resolutie). Voor deze oefening wordt dat dan: 3. Oefening Los het volgende stelsel van ongelijkheden met twee onbekenden grafisch op: 2 y x 5x 4 0 x y 4 0 Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 11 Polynomial Root Finder Simultaneous Equation Solver Het oplossen van vergelijkingen en/of stelsels leidt bij de behandeling van vele topics tot tijdverlies en/of rekenfouten waardoor de aandacht voor het essentiële verloren gaat. Deze applicatie voert het rekenwerk uit bij het bepalen van de nulpunten van veeltermfuncties en het oplossen van stelsels. Het gebruik van deze applicatie neemt niet weg dat leerlingen nog in staat moeten zijn de oplossingsmethodes manueel uit te voeren. Maar deze kennis kan apart getest worden zodat bij toepassingen het rekenwerk kan uitgevoerd worden door de TI-83 Plus. Hierdoor komt er meer tijd vrij voor de interpretatie van de resultaten. 1. Polynomial Root Finder We tonen hoe je met Polynomial Root Finder vergelijkingen oplost. Als eerste voorbeeld bepalen we de oplossingen van de vergelijking 6 x 2 x 2 0 . Na het starten van de applicatie PolySmlt opent een menu waar we de optie 1: Poly Root Finder kiezen. Eerst geven we de graad van vergelijking in en dan de coëfficiënten van de vergelijking. De oplossingen bekomen we na het drukken op F5 of op . Met de optie STOa kunnen de ingevoerde coëfficiënten gesaved worden in een lijst en met STOx de oplossingen. De lijsten waarin de data gesaved worden, moeten wel leeg zijn of nog niet gedefinieerd zijn. STOy plaatst de veelterm, als een functievoorschrift, in de eerste niet-gedefinieerde Y-variabele, zodat de nulpunten onmiddelijk grafisch voorgesteld kunnen worden. Indien oplossingen rationaal zijn, kunnen ze, na te saven, in het rekenscherm zoals hieronder omgezet worden in breukvorm. In een tweede voorbeeld tonen we hoe de complexe machtwortels bepaald kunnen worden van een reëel getal, bijvoorbeeld de derdemachtswortels van 8. Hiervoor lossen we de vergelijking x 3 8 0 op. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 12 Om de complexe wortels te tonen, drukken we op en veranderen de MODE-settings als volgt. De Floating Point-mode zetten we op 2 en voor de complexe mode hebben we de keuze tussen a+bi of re^i. Om de oplossingen voor te stellen in het complexe vlak plaatsen we de reële delen en complexe delen van de wortels, zoals hieronder aangeven, in aparte lijsten en maken hiervan een XY-lijn. Met de LOAD-optie kunnen de coëfficiënten vooraf in lijsten gedefineerd worden om later in de applicatie opgeroepen te worden. 2. Simultaneous Equation Solver Voorbeeld 1 x y - z 4 We bepalen de oplossingen van het stelsel 3 x y - z 6 . x y - 2z 4 Hiervoor gebruiken we de optie 2: Simult Eqn Solver. Eerst geven we het aantal vergelijkingen en het aantal onbekenden in. Dan verschijnt er een matrix waar we de coëfficiënten, één voor één, kunnen ingeven. Ook hier kan de uitgebreide matrix vooraf gedefinieerd worden en opgeroepen worden via de LOAD-optie. Via F5, of , bekomen we de oplossing van het stelsel. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 13 Met de STOsys kan het stelsel in matrixvorm bewaard worden en met STOx de oplossing. Weer moeten de matrices waarin gegevens gesaved worden, leeg zijn. Voorbeeld 2 x 2y 3z 4 Los op: . 5 x 6 y 7z 8 In dit geval bekomen we de onderstaande oplossing. In plaats van de optie STOx kan nu de trapvorm getoond worden met de optie RREF (Row Reduced Echelon Form). Deze trapvorm kan bewaard worden met de optie STORE RREF. Voorbeeld 3 2 x 6 y 14 11 Los op: . x 3 y 7z 3 Ook in dit geval kunnen we de trapvorm bepalen met de optie RREF. Voorbeeld 4 Om een vergelijking in meerdere onbekenden op te lossen, voegen we een nulrij toe. Voor de optie Simultaneous Equation Solver is 2 het minimum aantal vergelijkingen. Voor x 2y z 5 bekomen we het volgende resultaat. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 14 3. Oefening Een kleine firma leent 500 000 euro bij de bank om z’n productielijn te vergroten. Een deel van dit kapitaal wordt geleend tegen 9% intrest, een ander deel tegen 10% en een derde deel tegen 12%. Hoe is het kapitaal verdeeld als de jaarlijkse intrest 52 000 euro bedraagt en als je weet dat het kapitaal dat geleend werd tegen 10% 2,5 keer groter is dan het deel dat tegen 9% is geleend? Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 15 Probability Simulation Met Probability Simulation is het zeer eenvoudig het verband tussen de relatieve frequentie van een gebeurtenis en de kans op een gebeurtenis visueel voor te stellen. Bovendien kan de bekomen data bewaard worden in lijsten zodat deze na afsluiten van de applicatie nog verder geanalyseerd kunnen worden. 1. Opwerpen van muntstukken a. Eén muntstuk Start de applicatie Prob Sim en kies optie 1. Toss Coins. Druk op F3 om de instellingen te wijzigen. Verander de optie StoTabl in All. Alle opworpen worden nu bewaard in een tabel. We willen het muntstuk 300 keer opwerpen. Stel daarom Trial Set in op 300. Druk op OK, F5, en dan op F2,TOSS, om het experiment te starten. Aan het einde van het experiment kun je de -toetsen gebruiken om de frequentie te bekijken. Na het drukken op F4, DATA, verschijnt een scherm waar bevestigd kan worden, OK, om de data te bewaren. De data worden als volgt bewaard: bevat het worpnummer bevat kruis, 1, of munt, 0, LCUMH bevat het cummulatieve aantal keer kruis. LTOSS LC1 Deze data kunnen na afsluiten van de applicatie bv. zoals hiernaast afgebeeld gebruikt worden: b. Twee muntstukken De procedure om twee muntstukken op te werpen verloopt analoog als voor één. We veranderen enkel de optie Coins in 2. Op het scherm verschijnt tijdens het werpen van de muntstukken hoeveel keer geen enkele keer kruis, hoeveel keer één keer kruis en hoeveel keer twee keer kruis gewopren is. De resultaten van het opwerpen van het eerste en het tweede munstuk kunnen bekeken worden met de optie TABL, F5. De grafiek wordt dan vervangen door een tabel waarin genavigeerd kan worden met en . Om terug het histogram te tonen, drukken we op GRPH, F5. Ook hier kunnen de data bewaard worden voor verdere analyses. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 16 2. Werpen van dobbelstenen a. Twee dobbelstenen Met 2. Roll Dice gebeurt de simulatie van het werpen van twee dobbelstenen analoog aan het opwerpen van twee muntstukken. Bepaal door simulatie de kansverdeling van de som van het aantal ogen bij het werpen van twee dobbelstenen. Dice 1 Dice 2 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 Dice 1 Dice 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 Dice 1 Dice 2 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 Dice 1 Dice 2 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 Dice 1 Dice 2 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 Dice 1 Dice 2 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 Bepaal a.h.v. van de resultaten van de simulatie een benadering voor de kans dat de som van het aantal ogen kleiner en groter is dan zeven. b. Een vervalste dobbelsteen Met de optie ADV van het SETTINGS-scherm kunnen we een dobbelsteen vervalsen. In de linkerkolom worden de relatieve gewichten getoond. Bij het aanpassen van de relatieve gewichten wordt de kans automatisch aangepast. Ook bij het aanpassen van de kansen worden de relatieve gewichten aangepast. Veronderstel dat we de dobbelsteen verzwaren zodat het werpen van zes tweemaal zoveel voorkomt dan iedere andere ogen. Verander het gewicht van zes in 2 en voer de simulatie uit. Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 17 De ADV-optie kan ook in omgekeerde zin gebruikt worden. Verander de gewichten of de kansen en laat de leerlingen d.m.v. simulatie een benadering bepalen van de kansverdeling a.h.v. de relatieve frequenties. 3. Knikkers Veronderstel dat we 4 witte knikkers en 2 zwarte knikkers in een urne plaatsen. We trekken 3 knikkers uit de urne, eerst met terugleggen en dan zonder terugleggen. Wat is de kans, in beide gevallen, op precies één zwarte knikker? Hiervoor gebruiken we als volgt de optie 3. Pick Marbles van de applicatie Prob Sim. Laat iedere leerling 10 trekkingen van 3 knikkers uitvoeren in beide gevallen. Met CLEAR worden de gegevens van de vorige trekking verwijderd. In dit geval gebruiken we de TABLoptie i.p.v. de GRPH-optie. Met teruglegging Zonder teruglegging 4. Oefeningen Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 18 Oefening 1 Een vaas bevat 6 witte, 8 rode en 11 blauwe knikkers. 1. Bereken P(wit), P(rood), P(blauw) 2. Simuleer dit experiment met de GRM en ga bij een experiment met 10 trekkingen na of de berekende kansen overeenstemmen met het experiment. Ga dit ook na voor 100 trekkingen. Oefening 2 Om een verdachte dobbelsteen te testen, heeft men 200 worpen uitgevoerd. Op grond van deze resultaten, neemt men P(1)=0,19, P(2) = 0,15 en P(6)=0,16. 1. Bereken P({3,4,5}) en P({1,2,3,4,5}) 2. Voer een simulatie uit van dit experiment en toets je berekeningen aan de experimentele uitkomsten. Bibliografie Koen Stulens, Transformation Graphing, Limburgs Universitair Centrum, 2004 Koen Stulens, Inequality Graphing, Limburgs Universitair Centrum, 2004 Koen Stulens, Polynomial Root Finder and Simultaneous Equation Solver, Universitair Centrum, 2004 Limburgs Koen Stulens, Probability Simulation, Limburgs Universitair Centrum, 2004 Het gebruik van Flash-applicaties in de wiskundeles - 19