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)
  • Verhalten für x → -∞: f(x) → -∞
  • Verhalten für x → ∞: f(x) → 0

Lösung einblenden

Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also f(x)= x -2 .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Das Verhalten, dass für x → +∞ : f(x) → 0 strebt und gleichzeitig für x → -∞ : f(x) → ± ∞ strebt, kennen wir doch von e-x. Also multiplizieren wir einfach mal ein e-x zu unserem bisherigen Term dazu: f(x)= ( x -2 ) · e -x . Jetzt strebt auch tatsächlich für x → -∞ : f(x) gegen -∞, so dass wir einen gesuchten Term gefunden haben:
f(x)= ( x -2 ) · e -x

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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).

Und hier wissen wir ja bereits:

  • Alle Funktionswerte sind >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden (von links nach rechts) immer größer . Die Funktion ist also streng monoton steigend.
  • Für x → ∞ strebt e x gegen ∞ .
  • Für x → - ∞ strebt e x gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= x 8 -13 x 6 +36 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

x 8 -13 x 6 +36 x 4 = 0
x 4 ( x 4 -13 x 2 +36 ) = 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 4 -13 x 2 +36 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -13u +36 = 0

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

u1,2 = +13 ± ( -13 ) 2 -4 · 1 · 36 21

u1,2 = +13 ± 169 -144 2

u1,2 = +13 ± 25 2

u1 = 13 + 25 2 = 13 +5 2 = 18 2 = 9

u2 = 13 - 25 2 = 13 -5 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

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

u2: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x4 = - 4 = -2
x5 = 4 = 2

L={ -3 ; -2 ; 0; 2 ; 3 }

0 ist 4-fache Lösung!

Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= x 4 · ( x +3 ) · ( x -3 ) · ( x +2 ) · ( x -2 ) = x 8 -13 x 6 +36 x 4

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für 0 ≤ t ≤ 6 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 2 3 t 2 -4t +8 beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 4 Dezimeter hoch.

  1. Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 5 Jahren?
  2. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 14 3 dm pro Jahr?
  3. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. y-Wert bei t = 5

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=5. Wir berechnen also einfach f(5) = 2 3 5 2 -45 +8 = 14 3 ≈ 4.7


  2. Erster t-Wert bei y = 14 3

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y= 14 3 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 14 3 und lösen nach t auf:

    2 3 t 2 -4t +8 = 14 3 |⋅ 3
    3( 2 3 t 2 -4t +8 ) = 14
    2 t 2 -12t +24 = 14 | -14
    2 t 2 -12t +10 = 0 |:2

    t 2 -6t +5 = 0

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

    t1,2 = +6

  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 4 und dem Integral 0 3 ( 2 3 t 2 -4t +8 ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 2 3 t 2 -4t +8 ) t

    = [ 2 9 x 3 -2 x 2 +8x ] 0 3

    = 2 9 3 3 -2 3 2 +83 - ( 2 9 0 3 -2 0 2 +80 )

    = 2 9 27 -29 +24 - ( 2 9 0 -20 +0)

    = 6 -18 +24 - (0+0+0)

    = 12 +0

    = 12

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 4 + 12 = 16

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