Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Term mit Eigenschaften finden

Beispiel:

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

gemeinsame Punkte mit der x-Achse: N₁(1|0) und N₂(2|0)
Schnittpunkt mit der y-Achse: S_y(0|-4)

Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also $f(x) =$ $(x - 1) \cdot (x - 2)$ .

Um den y-Achsenabschnitt S_y(0|-4) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:

f(0) = $(0 - 1) \cdot (0 - 2)$ = $2$

Wir müssen somit unseren Term noch mit dem Koeffizienten $- 2$ multiplizieren, damit wir den gegebenen y-Achsenabschnit erhalten:

f(0) = $- 2 \cdot (0 - 1) \cdot (0 - 2)$ = $- 4$

Da also auch der y-Achsenabschnit passt, haben wir nun einen fertigen Funktionsterm $f(x) =$ $- 2 (x - 1) (x - 2)$ .

Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet

Eigenschaften von e-Funktionen

Beispiel:

Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= $e^{x} + 3$ .

Lösung einblenden

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

Da bei $e^{x} + 3$ zu jedem Funktionswert von $e^{x}$ noch 3 addiert wird, hat der Graph von $e^{x} + 3$ die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 3 nach oben verschoben. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

Alle Funktionswerte bleiben so >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
Die Funktionswerte werden (von links nach rechts) immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
Wie $e^{x}$ strebt auch $e^{x} + 3$ für x → ∞ gegen ∞ .
Für x → -∞ strebt $e^{x} + 3$ gegen 0 +3, also gegen 3.

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $x^{6} + 4 x^{4} - 5 x^{2}$ und gib f in Linearfaktordarstellung an.

Lösung einblenden

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

f(x)=0

$x^{6} + 4 x^{4} - 5 x^{2}$	=	0
$x^{2} (x^{4} + 4 x^{2} - 5)$	=	0

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

1. Fall:

$x^{2}$	=	$0$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₁	=	0

2. Fall:

x^{4} + 4 x^{2} - 5

=

0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = $x^{2}$

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

$u^{2} + 4 u - 5$ = 0

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

u_1,2 = $\frac{- 4 \pm \sqrt{4^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 5)}}{2 \cdot 1}$

u_1,2 = $\frac{- 4 \pm \sqrt{16 + 20}}{2}$

u_1,2 = $\frac{- 4 \pm \sqrt{36}}{2}$

u₁ = $\frac{- 4 + \sqrt{36}}{2}$ = $\frac{- 4+6}{2}$ = $\frac{2}{2}$ = $1$

u₂ = $\frac{- 4 - \sqrt{36}}{2}$ = $\frac{- 4-6}{2}$ = $\frac{- 10}{2}$ = $- 5$

Rücksubstitution:

u₁: $x^{2}$ = $1$

$x^{2}$	=	$1$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₂	=	$- \sqrt{1}$	= $- 1$
x₃	=	$\sqrt{1}$	= $1$

u₂: $x^{2}$ = $- 5$

x^{2}

=

- 5

|

\sqrt[2]{\cdot}

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ $- 1$ ; 0; $1$ }

0 ist 2-fache Lösung!

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

Wenn wir den substituierten Term $u^{2} + 4 u - 5$ anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

$x^{4} + 4 x^{2} - 5$ =nach Substitution $u^{2} + 4 u - 5$ = $(u - 1) \cdot (u + 5)$ =nach Re-Substitution $(x² - 1) \cdot (x² + 5)$

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

$f(x) =$ $x^{2} \cdot (x + 1) \cdot (x - 1) \cdot (x^{2} + 5)$ = $x^{6} + 4 x^{4} - 5 x^{2}$

Anwendungen

Beispiel:

Eine neue trendy App wird veröffentlicht. Dabei kann die tägliche Downloadzahl (in K) näherungsweise für 0 ≤ t ≤ 10 durch die Funktion f mit $f(t) =$ $\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + 8$ beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

Bestimme die minimale tägliche Downloadzahl.
Wann erreicht die Downloadzahl erstmals $\frac{64}{25}$ (Tausend)?
Wie viele Tausend Downloads werden zwischen Tag 0 und Tag 3 insgesamt heruntergeladen?

Lösung einblenden

y-Wert des Minimums (TP)

Gesucht ist der y-Wert des Tiefpunkt. Wir berechnen also die Extremstellen von f:

Detail-Rechnung für den Tiefpunkt ( $5$ |1.75) einblenden

$f(t) =$ $\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + 8$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=> $f'(t) =$ $\frac{1}{25} t^{3} - t + 0$

= $\frac{1}{25} t^{3} - t$

$f''(t) =$ $\frac{3}{25} t^{2} - 1$

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f'(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f'(t) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

$\frac{1}{25} t^{3} - t$	=	\|⋅ 25
$25 (\frac{1}{25} t^{3} - t)$	=
$t^{3} - 25 t$	=
$t (t^{2} - 25)$	=

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

1. Fall:

t₁

=

0

2. Fall:

$t^{2} - 25$	=	0	\| $+ 25$
$t^{2}$	=	$25$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
t₂	=	$- \sqrt{25}$	= $- 5$
t₃	=	$\sqrt{25}$	= $5$

Die Lösungen $- 5$ , 0, $5$ sind nun die einzigen Kandidaten für Extremstellen.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(t):

Ist f''(t) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(t₀)=0 und f''(t₀)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(t₀)=0 und f'(t₀)>0).

1.: t= $- 5$

f''( $- 5$ ) = $\frac{3}{25} \cdot {(- 5)}^{2} - 1$ = $\frac{3}{25} \cdot 25 - 1$ = $2$ >0

Das heißt bei t = $- 5$ ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f(t) eingesetzt werden.
f( $- 5$ ) = $\frac{1}{100} \cdot {(- 5)}^{4} - \frac{1}{2} \cdot {(- 5)}^{2} + 8$ = $\frac{7}{4}$ ≈ 1.75
Man erhält so den Tiefpunkt T:( $- 5$ | $\frac{7}{4}$ )

≈ T:(-5|1.75)

2.: t= $0$

f''( $0$ ) = $\frac{3}{25} \cdot 0^{2} - 1$ = $\frac{3}{25} \cdot 0 - 1$ = $- 1$ <0

Das heißt bei t = $0$ ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f(t) eingesetzt werden.
f( $0$ ) = $\frac{1}{100} \cdot 0^{4} - \frac{1}{2} \cdot 0^{2} + 8$ = $8$
Man erhält so den Hochpunkt H:( $0$ | $8$ )

3.: t= $5$

f''( $5$ ) = $\frac{3}{25} \cdot 5^{2} - 1$ = $\frac{3}{25} \cdot 25 - 1$ = $2$ >0

Das heißt bei t = $5$ ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f(t) eingesetzt werden.
f( $5$ ) = $\frac{1}{100} \cdot 5^{4} - \frac{1}{2} \cdot 5^{2} + 8$ = $\frac{7}{4}$ ≈ 1.75
Man erhält so den Tiefpunkt T:( $5$ | $\frac{7}{4}$ )

≈ T:(5|1.75)

Randwertuntersuchung

Da ja ein maximaler Wert, also ein globales Maximum gesucht wird, müssen wir noch untersuchen, ob vielleicht an den Rändern noch höhere Werte als beim lokalen Maximum auftreten.

Dazu setzen wir am linken Rand einfach die linke Grenze des Definitionsbereichs in die Funktion ein: f(0) = $\frac{1}{100} \cdot 0^{4} - \frac{1}{2} \cdot 0^{2} + 8$ = $8$ . Am rechten Rand setzen wir die rechte Grenze des Definitionsbereichs ein: f(10) = $\frac{1}{100} \cdot 10^{4} - \frac{1}{2} \cdot 10^{2} + 8$ = $58$ .

Weil der Funktionswert am linken Rand größer als am Hochpunkt ist, ist das (globale) Maximum bei 0 mit f(0) = $8$ .

1.75 ist also der kleinste Wert der Funktion.

Erster t-Wert bei y = $\frac{64}{25}$

Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y= $\frac{64}{25}$ annimmt.

Dazu setzen wir die Funktion einfach = $\frac{64}{25}$ und lösen nach t auf:

\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + 8

=

\frac{64}{25}

|

- \frac{64}{25}

\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + \frac{136}{25}

= 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = $t^{2}$

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

$\frac{1}{100} u^{2} - \frac{1}{2} u + \frac{136}{25}$	=	0	\|⋅ 100
$100 (\frac{1}{100} u^{2} - \frac{1}{2} u + \frac{136}{25})$	=	0

$u^{2} - 50 u + 544$ = 0

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

u_1,2 = $+ 50$

Zuwachs des Bestands zwischem 0 und 3Gesucht ist ja der Zuwachs des Bestands zwischen t₁=0 und t₂=3 und weil ja f die Änderungsrate des Bestands angibt, kann dieser Zuwachs des Bestands mit dem Integral $\int_{0}^{3} (\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + 8) ⅆ t$ berechnet werden.

$\int_{0}^{3} (\frac{1}{100} t^{4} - \frac{1}{2} t^{2} + 8) ⅆ t$
= ${[\frac{1}{500} x^{5} - \frac{1}{6} x^{3} + 8 x]}_{0}^{3}$
$=$ $\frac{1}{500} \cdot 3^{5} - \frac{1}{6} \cdot 3^{3} + 8 \cdot 3 - (\frac{1}{500} \cdot 0^{5} - \frac{1}{6} \cdot 0^{3} + 8 \cdot 0)$
= $\frac{1}{500} \cdot 243 - \frac{1}{6} \cdot 27 + 24 - (\frac{1}{500} \cdot 0 - \frac{1}{6} \cdot 0 + 0)$
= $\frac{243}{500} - \frac{9}{2} + 24 - (0 + 0 + 0)$
= $\frac{243}{500} - \frac{2250}{500} + \frac{12000}{500} + 0$
= $\frac{9993}{500}$

= 19,986

19.99 Tausend Downloads ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.

Aufgabenbeispiele von allgemein

Term mit Eigenschaften finden

Eigenschaften von e-Funktionen

Nullstellen und Faktorisieren

Anwendungen

1.: t=-5

2.: t=0

3.: t=5

Randwertuntersuchung

1.: t= $- 5$

2.: t= $0$

3.: t= $5$