Aufgabenbeispiele von allgemein

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Term mit Eigenschaften finden

Beispiel:

Bestimme den Term einer Funktion, für dessen Graph folgende Bedingungen erfüllt sein müssen:

  • gemeinsamer Punkt mit der x-Achse: N(0|0)
  • Verhalten für x → -∞: f(x) → 0
  • Verhalten für x → ∞: f(x) → -∞

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Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also f(x)= x +0 .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Das Verhalten, dass für x → -∞ : f(x) → 0 strebt und gleichzeitig für x → +∞ : f(x) → ± ∞ strebt, kennen wir doch von der e-Funktion. Also multiplizieren wir einfach mal ein ex zu unserem bisherigen Term dazu: f(x)= x · e x . Weil jetzt aber für x → +∞ : f(x) → +∞ streben würde, es ja aber gegen -∞ streben soll, spiegeln wir einfach die Funktion an der x-Achse, indem wir den Term mit -1 multiplizieren und erhalten so:
f(x)= - x · e x

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Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet

Eigenschaften von e-Funktionen

Beispiel:

Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= 3 e x .

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Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f0(x)= e x (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).

Am Koeffizient vor dem e x erkennen wir, dass der Graph gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion lediglich in y-Richtung gestreckt wurde. Qualitativ unterscheiden sich die beiden Graphen also nicht. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Alle Funktionswerte sind >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
  • Wie e x strebt für x → ∞ auch 3 e x gegen ∞.
  • Wie e x strebt für x → -∞ auch 3 e x gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= 3 x 4 -21 x 3 +36 x 2 und gib f in Linearfaktordarstellung an.


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Nullstellen sind die x-Werte, an denen der Funktionswert 0 beträgt, es muss also gelten:

f(x)=0

3 x 4 -21 x 3 +36 x 2 = 0
3 x 2 ( x 2 -7x +12 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

x 2 -7x +12 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

x2,3 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · 1 · 12 21

x2,3 = +7 ± 49 -48 2

x2,3 = +7 ± 1 2

x2 = 7 + 1 2 = 7 +1 2 = 8 2 = 4

x3 = 7 - 1 2 = 7 -1 2 = 6 2 = 3

L={0; 3 ; 4 }

0 ist 2-fache Lösung!

Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.

Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor 3 darf natürlich nicht vergessen werden:

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= 3 x 2 · ( x -4 ) · ( x -3 ) = 3 x 4 -21 x 3 +36 x 2

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 30 +22 e -0,4t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 3 Dezimeter hoch.

  1. Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 4 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 40 dm pro Jahr?
  4. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. y-Wert bei t = 4

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=4. Wir berechnen also einfach f(4) = 30 +22 e -0,44 = 22 e -1,6 +30 ≈ 34.4


  2. Verhalten für t gegen unendlich

    Gesucht ist das Verhalten der Funktionswerte bei sehr großen t-Werten, also das Verhalten von f für t → ∞.

    Für t → ∞ ⇒ f(t)= 30 +22 e -0,4t 30 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 30 .

  3. Erster t-Wert bei y = 40

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=40 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 40 und lösen nach t auf:

    30 +22 e -0,4t = 40
    22 e -0,4t +30 = 40 | -30
    22 e -0,4t = 10 |:22
    e -0,4t = 5 11 |ln(⋅)
    -0,4t = ln( 5 11 ) |:-0,4
    t = - 1 0.4 ln( 5 11 ) ≈ 1.9711

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 40 annimmt, ist also nach 1.97 Jahre.

  4. Bestand zur Zeit 3

    Gesucht ist ja der Bestands zur Zeit t=3 und weil ja f die Änderungsrate des Bestands angibt, kann der Bestands zur Zeit t=3 als Summe vom Anfangsbestand 3 und dem Integral 0 3 ( 30 +22 e -0,4t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 30 +22 e -0,4t ) t

    = [ 30x -55 e -0,4x ] 0 3

    = 303 -55 e -0,43 - ( 300 -55 e -0,40 )

    = 90 -55 e -1,2 - (0 -55 e 0 )

    = -55 e -1,2 +90 - (0 -55 )

    = -55 e -1,2 +90 +55

    = -55 e -1,2 +145


    ≈ 128,434

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 3 + 128.434 = 131.434

    131.43 dm ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.