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(-1|0)
  • einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 1
  • Schnittpunkt mit der y-Achse: Sy(0|2)

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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 .

Der Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 1 erhalten wir am einfachsten mit einer doppelten Nullstelle, weil eine doppelte Nullstelle ja immer nur die x-Achse berührt, ohne sie zu überschreiten. Dadurch liegt an einer doppelten Nullstelle stets ein Extrempunkt, also ein Punkt mit waagrechter Tangente vor.

Als neuen Term erhalten wir somit f(x)= ( x +1 ) · ( x -1 ) 2

Um den y-Achsenabschnitt Sy(0|2) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:

f(0) = ( 0 +1 ) · ( 0 -1 ) 2 = 1

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

f(0) = 2 · ( 0 +1 ) · ( 0 -1 ) 2 = 2

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

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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).

Am negativen Koeffizient vor dem e x erkennen wir, dass der Graph gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion an der x-Achse gespiegelt wurde. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Alle Funktionswerte werden so <0, also verläuft der Graph komplett unter der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden zwar (wie bei e x ) betragsmäßig immer größer, durch das negative Vorzeichen aber immer kleiner. Die Funktion ist also streng monoton fallend.
  • Während e x für x → ∞ auch gegen ∞ strebt, strebt der gespiegelte Term gegen - ∞.
  • Wie e x strebt für x → -∞ auch - e x gegen 0 (nur eben von unten statt von oben).

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= -2 x 5 -2 x 3 +40x 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 -2 x 3 +40x = 0
-2 x ( x 4 + x 2 -20 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 4 + x 2 -20 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -20 = 0

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

u1,2 = -1 ± 1 2 -4 · 1 · ( -20 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +80 2

u1,2 = -1 ± 81 2

u1 = -1 + 81 2 = -1 +9 2 = 8 2 = 4

u2 = -1 - 81 2 = -1 -9 2 = -10 2 = -5

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x2 = - 4 = -2
x3 = 4 = 2

u2: x 2 = -5

x 2 = -5 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 0; 2 }

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:

Wenn wir den substituierten Term u 2 + u -20 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 + x 2 -20 =nach Substitution u 2 + u -20 = ( u -4 ) · ( u +5 ) =nach Re-Substitution ( -4 ) · ( +5 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= -2 x · ( x +2 ) · ( x -2 ) · ( x 2 +5 ) = -2 x 5 -2 x 3 +40x

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 25 +17 e -0,6t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 1 Dezimeter hoch.

  1. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  2. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 30 dm pro Jahr?
  3. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. 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)= 25 +17 e -0,6t 25 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 25 .

  2. Erster t-Wert bei y = 30

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=30 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 30 und lösen nach t auf:

    25 +17 e -0,6t = 30
    17 e -0,6t +25 = 30 | -25
    17 e -0,6t = 5 |:17
    e -0,6t = 5 17 |ln(⋅)
    -0,6t = ln( 5 17 ) |:-0,6
    t = - 1 0.6 ln( 5 17 ) ≈ 2.0396

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 30 annimmt, ist also nach 2.04 Jahre.

  3. 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 1 und dem Integral 0 3 ( 25 +17 e -0,6t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 25 +17 e -0,6t ) t

    = [ 25x - 85 3 e -0,6x ] 0 3

    = 253 - 85 3 e -0,63 - ( 250 - 85 3 e -0,60 )

    = 75 - 85 3 e -1,8 - (0 - 85 3 e 0 )

    = - 85 3 e -1,8 +75 - (0 - 85 3 )

    = - 85 3 e -1,8 +75 - (0 - 85 3 )

    = - 85 3 e -1,8 +75 + 85 3

    = - 85 3 e -1,8 + 310 3


    ≈ 98,65

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 1 + 98.65 = 99.65

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