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(3|0)
- Schnittpunkt mit der y-Achse: Sy(0|-6)
Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also .
Um den y-Achsenabschnitt Sy(0|-6) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:
f(0) = =
Wir müssen somit unseren Term noch mit dem Koeffizienten multiplizieren, damit wir den gegebenen y-Achsenabschnit erhalten:
f(0) = =
Da also auch der y-Achsenabschnit passt, haben wir nun einen fertigen Funktionsterm .
Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet
Eigenschaften von e-Funktionen
Beispiel:
Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= .
Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f0(x)= (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).
Da bei zu jedem Funktionswert von noch -3 addiert wird, hat der Graph von die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 3 nach unten verschoben. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:
- Da der Graph nach unten verschoben wurde, schneidet er nun die x-Achse.
- Die Funktionswerte werden (von links nach rechts) immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
- Wie strebt auch für x → ∞ gegen ∞ .
- Für x → -∞ strebt
gegen 0
- 3 , also gegen -3.
Nullstellen und Faktorisieren
Beispiel:
Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit und gib f in Linearfaktordarstellung an.
Nullstellen sind die x-Werte, an denen der Funktionswert 0 beträgt, es muss also gelten:
f(x)=0
| = | |||
| = |
Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.
1. Fall:
| = | | | ||
| x1 | = |
2. Fall:
|
|
= |
Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!
Setze u =
Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:
eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):
u1,2 =
u1,2 =
u1,2 =
u1 =
u2 =
Rücksubstitution:
u1:
|
|
= | |
|
|
| x2 | = |
|
=
|
| x3 | = |
|
=
|
u2:
|
|
= | |
|
Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!
L={
Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.
Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor -1 darf natürlich nicht vergessen werden:
Wenn wir den substituierten Term
Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:
Anwendungen
Beispiel:
Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit
Zu Beginn ist der Baum 1 Dezimeter hoch.
- Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 4 Jahren?
- Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
- Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 38 dm pro Jahr?
- Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?
- y-Wert bei t = 4
Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=4. Wir berechnen also einfach f(4) =
=25 + 23 e - 0,3 ⋅ 4 ≈ 31.923 e - 1,2 + 25
- 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 + 23 e - 0,3 t 25 + 0 Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen
.25 - Erster t-Wert bei y = 38
Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=38 annimmt.
Dazu setzen wir die Funktion einfach = 38 und lösen nach t auf:
25 + 23 e - 0,3 t = 38 23 e - 0,3 t + 25 = 38 | - 25 23 e - 0,3 t = 13 |: 23 e - 0,3 t = 13 23 |ln(⋅) - 0,3 t = ln ( 13 23 ) |: - 0,3 t = - 1 0.3 ln ( 13 23 ) ≈ 1.9018 Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 38 annimmt, ist also nach 1.9 Jahre.
- 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
berechnet werden.∫ 0 3 ( 25 + 23 e - 0,3 t ) ⅆ t Wir berechenn also zuerst das Integral:
∫ 0 3 ( 25 + 23 e - 0,3 t ) ⅆ t =
[ 25 x - 230 3 e - 0,3 x ] 0 3 = 25 ⋅ 3 - 230 3 e - 0,3 ⋅ 3 - ( 25 ⋅ 0 - 230 3 e - 0,3 ⋅ 0 ) =
75 - 230 3 e - 0,9 - ( 0 - 230 3 e 0 ) =
- 230 3 e - 0,9 + 75 - ( 0 - 230 3 ) =
- 230 3 e - 0,9 + 75 - ( 0 - 230 3 ) =
- 230 3 e - 0,9 + 75 + 230 3 =
- 230 3 e - 0,9 + 455 3
≈ 120,496Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
B(3)≈ 1 + 120.496 = 121.496121.5 dm ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.
