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(-1|0)
  • einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 0
  • 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 +1 .

Der Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 0 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 +1 ) · ( x +0 ) 2

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Da bei unserem bisherigen Term ( x +1 ) x 2 = x 3 + x 2 für x → +∞ : f(x) gegen +∞ und nicht wie gefordert gegen -∞ strebt, müssen wir den Term noch mit -1 multiplizieren, damit er alle Eigenschaften erfüllt:
- ( x +1 ) x 2 = - x 3 - x 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 -2 .

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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 -2 zu jedem Funktionswert von e x noch -2 addiert wird, hat der Graph von e x -2 die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 2 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 e x strebt auch e x -2 für x → ∞ gegen ∞ .
  • Für x → -∞ strebt e x -2 gegen 0 -2, also gegen -2.

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= x 6 - 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 6 - x 4 = 0
x 4 ( x 2 -1 ) = 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 -1 = 0 | +1
x 2 = 1 | 2
x2 = - 1 = -1
x3 = 1 = 1

L={ -1 ; 0; 1 }

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 +1 ) · ( x -1 ) = x 6 - x 4

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 25 +16 e -0,5t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 5 Dezimeter hoch.

  1. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  2. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 28 dm pro Jahr?
  3. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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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)= 25 +16 e -0,5t 25 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 25 .

  2. Erster t-Wert bei y = 28

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=28 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 28 und lösen nach t auf:

    25 +16 e -0,5t = 28
    16 e -0,5t +25 = 28 | -25
    16 e -0,5t = 3 |:16
    e -0,5t = 3 16 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 3 16 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 3 16 ) ≈ 3.348

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 28 annimmt, ist also nach 3.35 Jahre.

  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 5 und dem Integral 0 3 ( 25 +16 e -0,5t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 25 +16 e -0,5t ) t

    = [ 25x -32 e -0,5x ] 0 3

    = 253 -32 e -0,53 - ( 250 -32 e -0,50 )

    = 75 -32 e -1,5 - (0 -32 e 0 )

    = -32 e -1,5 +75 - (0 -32 )

    = -32 e -1,5 +75 +32

    = -32 e -1,5 +107


    ≈ 99,86

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 5 + 99.86 = 104.86

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