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(-2|0)
  • einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x = -3
  • Schnittpunkt mit der y-Achse: Sy(0|18)

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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 +2 .

Der Punkt mit waagrechter Tangente bei x = -3 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 +2 ) · ( x +3 ) 2

Um den y-Achsenabschnitt Sy(0|18) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:

f(0) = ( 0 +2 ) · ( 0 +3 ) 2 = 18

Da also auch der y-Achsenabschnit passt, haben wir nun einen fertigen Funktionsterm f(x)= ( x +2 ) ( x +3 ) 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).

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 6 +12 x 5 +16 x 4 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 6 +12 x 5 +16 x 4 = 0
2 x 4 ( x 2 +6x +8 ) = 0

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

1. Fall:

x 4 = 0 | 4
x1 = 0

2. Fall:

x 2 +6x +8 = 0

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

x2,3 = -6 ± 6 2 -4 · 1 · 8 21

x2,3 = -6 ± 36 -32 2

x2,3 = -6 ± 4 2

x2 = -6 + 4 2 = -6 +2 2 = -4 2 = -2

x3 = -6 - 4 2 = -6 -2 2 = -8 2 = -4

L={ -4 ; -2 ; 0}

0 ist 4-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 4 · ( x +2 ) · ( x +4 ) = 2 x 6 +12 x 5 +16 x 4

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)= 40 -39 e -0,5t beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

  1. Wie viele Downloads (in Tausend) werden am Tag 5 heruntergeladen?.
  2. Gegen welchen Wert entwickeln sich die Downloadzahlen auf lange Sicht?
  3. Wann erreicht die Downloadzahl erstmals 18 (Tausend)?
  4. Wie viele Tausend Downloads werden zwischen Tag 0 und Tag 3 insgesamt heruntergeladen?

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  1. y-Wert bei t = 5

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=5. Wir berechnen also einfach f(5) = 40 -39 e -0,55 = -39 e -2,5 +40 ≈ 36.8


  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)= 40 -39 e -0,5t 40 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 40 .

  3. Erster t-Wert bei y = 18

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=18 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 18 und lösen nach t auf:

    40 -39 e -0,5t = 18
    -39 e -0,5t +40 = 18 | -40
    -39 e -0,5t = -22 |:-39
    e -0,5t = 22 39 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 22 39 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 22 39 ) ≈ 1.145

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 18 annimmt, ist also nach 1.15 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 ( 40 -39 e -0,5t ) t berechnet werden.

    0 3 ( 40 -39 e -0,5t ) t

    = [ 40x +78 e -0,5x ] 0 3

    = 403 +78 e -0,53 - ( 400 +78 e -0,50 )

    = 120 +78 e -1,5 - (0 +78 e 0 )

    = 78 e -1,5 +120 - (0 +78 )

    = 78 e -1,5 +120 -78

    = 78 e -1,5 +42


    ≈ 59,404

    59.4 Tausend Downloads ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.