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:

  • gemeinsame Punkte mit der x-Achse: N1(-1|0) und N2(0|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 +1 ) · ( x +0 ) .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Da bei unserem bisherigen Term ( x +1 ) x = x 2 + x für x → -∞ : f(x) gegen -∞ und nicht wie gefordert gegen +∞ strebt, müssen wir den Term noch mit -1 multiplizieren, damit er alle Eigenschaften erfüllt:
- ( x +1 ) x = - x 2 - 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)= e x .

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

Und hier wissen wir ja bereits:

  • Alle Funktionswerte sind >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.
  • Für x → ∞ strebt e x gegen ∞ .
  • Für x → - ∞ strebt e x gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= 2 x 5 +6 x 4 -8 x 3 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

2 x 5 +6 x 4 -8 x 3 = 0
2 x 3 ( x 2 +3x -4 ) = 0

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

1. Fall:

x 3 = 0 | 3
x1 = 0

2. Fall:

x 2 +3x -4 = 0

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

x2,3 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -4 ) 21

x2,3 = -3 ± 9 +16 2

x2,3 = -3 ± 25 2

x2 = -3 + 25 2 = -3 +5 2 = 2 2 = 1

x3 = -3 - 25 2 = -3 -5 2 = -8 2 = -4

L={ -4 ; 0; 1 }

0 ist 3-fache Lösung!

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

Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor 2 darf natürlich nicht vergessen werden:

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= 2 x 3 · ( x -1 ) · ( x +4 ) = 2 x 5 +6 x 4 -8 x 3

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 30 +18 e -0,5t 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 5 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 33 dm pro Jahr?
  4. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. y-Wert bei t = 5

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=5. Wir berechnen also einfach f(5) = 30 +18 e -0,55 = 18 e -2,5 +30 ≈ 31.5


  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 +18 e -0,5t 30 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 30 .

  3. Erster t-Wert bei y = 33

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=33 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 33 und lösen nach t auf:

    30 +18 e -0,5t = 33
    18 e -0,5t +30 = 33 | -30
    18 e -0,5t = 3 |:18
    e -0,5t = 1 6 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 1 6 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 1 6 ) ≈ 3.5835

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 33 annimmt, ist also nach 3.58 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 +18 e -0,5t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 30 +18 e -0,5t ) t

    = [ 30x -36 e -0,5x ] 0 3

    = 303 -36 e -0,53 - ( 300 -36 e -0,50 )

    = 90 -36 e -1,5 - (0 -36 e 0 )

    = -36 e -1,5 +90 - (0 -36 )

    = -36 e -1,5 +90 +36

    = -36 e -1,5 +126


    ≈ 117,967

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 3 + 117.967 = 120.967

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