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(0|0) und N2(-1|0)
  • Verhalten für x → -∞: f(x) → -∞
  • 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 ) · ( x +1 ) .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Es stimmt nun aber das Verhalten für x → ±∞ noch nicht, deswegen müssen wir den Term mit -1 multiplizieren.

Unser Term - x ( x +1 ) = - x 2 - x erfüllt nun alle geforderten Eigenschaften.

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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).

Da bei e -x einfach das x von e x durch ein -x ersetzt wurde, erhält man den Graph von e -x indem man den der natürlichen Exponentialfunktion an der y-Achse spiegelt. 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 kleiner . Die Funktion ist also streng monoton fallend.
  • Wie e x für x → -∞ strebt e -x für x → ∞ gegen 0.
  • Wie e x für x → ∞ strebt e -x für x → -∞ gegen ∞ .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= 3 x 4 -18 x 3 +15 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 -18 x 3 +15 x 2 = 0
3 x 2 ( x 2 -6x +5 ) = 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 -6x +5 = 0

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

x2,3 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · 5 21

x2,3 = +6 ± 36 -20 2

x2,3 = +6 ± 16 2

x2 = 6 + 16 2 = 6 +4 2 = 10 2 = 5

x3 = 6 - 16 2 = 6 -4 2 = 2 2 = 1

L={0; 1 ; 5 }

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 -5 ) · ( x -1 ) = 3 x 4 -18 x 3 +15 x 2

Anwendungen

Beispiel:

Eine neue trendy App wird veröffentlicht. Dabei kann die tägliche Downloadzahl (in K) näherungsweise für t ≥ 0 durch die Funktion f mit f(t)= 15 -15 e -0,3t beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

  1. Wie viele Downloads (in Tausend) werden am Tag 2 heruntergeladen?.
  2. Gegen welchen Wert entwickeln sich die Downloadzahlen auf lange Sicht?
  3. Wann erreicht die Downloadzahl erstmals 10 (Tausend)?
  4. Wie viele Tausend Downloads werden zwischen Tag 0 und Tag 3 insgesamt heruntergeladen?

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  1. y-Wert bei t = 2

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=2. Wir berechnen also einfach f(2) = 15 -15 e -0,32 = -15 e -0,6 +15 ≈ 6.8


  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)= 15 -15 e -0,3t 15 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 15 .

  3. Erster t-Wert bei y = 10

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=10 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 10 und lösen nach t auf:

    15 -15 e -0,3t = 10
    -15 e -0,3t +15 = 10 | -15
    -15 e -0,3t = -5 |:-15
    e -0,3t = 1 3 |ln(⋅)
    -0,3t = ln( 1 3 ) |:-0,3
    t = - 1 0.3 ln( 1 3 ) ≈ 3.662

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 10 annimmt, ist also nach 3.66 Tage.

  4. Zuwachs des Bestands zwischem 0 und 3

    Gesucht 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 0 3 ( 15 -15 e -0,3t ) t berechnet werden.

    0 3 ( 15 -15 e -0,3t ) t

    = [ 15x +50 e -0,3x ] 0 3

    = 153 +50 e -0,33 - ( 150 +50 e -0,30 )

    = 45 +50 e -0,9 - (0 +50 e 0 )

    = 50 e -0,9 +45 - (0 +50 )

    = 50 e -0,9 +45 -50

    = 50 e -0,9 -5


    ≈ 15,328

    15.33 Tausend Downloads ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.