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)
  • einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 2
  • 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 .

Der Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 2 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 +0 ) · ( x -2 ) 2

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Unser Term x ( x -2 ) 2 = x 3 -4 x 2 +4x 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)= -2 x 7 +4 x 5 +126 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 7 +4 x 5 +126 x 3 = 0
2 x 3 ( - x 4 +2 x 2 +63 ) = 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 4 +2 x 2 +63 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

- u 2 +2u +63 = 0

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · ( -1 ) · 63 2( -1 )

u1,2 = -2 ± 4 +252 -2

u1,2 = -2 ± 256 -2

u1 = -2 + 256 -2 = -2 +16 -2 = 14 -2 = -7

u2 = -2 - 256 -2 = -2 -16 -2 = -18 -2 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = -7

x 2 = -7 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

u2: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x2 = - 9 = -3
x3 = 9 = 3

L={ -3 ; 0; 3 }

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:

Wenn wir den substituierten Term u 2 -2u -63 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 -2 x 2 -63 =nach Substitution u 2 -2u -63 = ( u -9 ) · ( u +7 ) =nach Re-Substitution ( -9 ) · ( +7 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= 2 x 3 · ( - ( x 2 +7 ) · ( x +3 ) · ( x -3 ) ) = -2 x 7 +4 x 5 +126 x 3

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)= 20 +13 e -0,5t beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

  1. Gegen welchen Wert entwickeln sich die Downloadzahlen auf lange Sicht?
  2. Wann erreicht die Downloadzahl erstmals 22 (Tausend)?
  3. Wie viele Tausend Downloads wurden insgesamt nach den ersten 3 Tagen heruntergeladen?

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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)= 20 +13 e -0,5t 20 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 20 .

  2. Erster t-Wert bei y = 22

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=22 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 22 und lösen nach t auf:

    20 +13 e -0,5t = 22
    13 e -0,5t +20 = 22 | -20
    13 e -0,5t = 2 |:13
    e -0,5t = 2 13 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 2 13 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 2 13 ) ≈ 3.7436

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 22 annimmt, ist also nach 3.74 Tage.

  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 0 und dem Integral 0 3 ( 20 +13 e -0,5t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 20 +13 e -0,5t ) t

    = [ 20x -26 e -0,5x ] 0 3

    = 203 -26 e -0,53 - ( 200 -26 e -0,50 )

    = 60 -26 e -1,5 - (0 -26 e 0 )

    = -26 e -1,5 +60 - (0 -26 )

    = -26 e -1,5 +60 +26

    = -26 e -1,5 +86


    ≈ 80,199

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 0 + 80.199 = 80.199

    80.2 Tausend Downloads ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.