Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

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

Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also $f(x) =$ $x - 1$ .

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 der e-Funktion. Also multiplizieren wir einfach mal ein e^x zu unserem bisherigen Term dazu: $f(x) =$ $(x - 1) \cdot e^{x}$ . Jetzt strebt auch tatsächlich für x → ∞ : f(x) gegen +∞, so dass wir einen gesuchten Term gefunden haben:
$f(x) =$ $(x - 1) \cdot e^{x}$

Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet

Eigenschaften von e-Funktionen

Beispiel:

Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= $e^{x + 2}$ .

Lösung einblenden

Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f₀(x)= $e^{x}$ (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).

Da bei $e^{x + 2}$ einfach das x von $e^{x}$ durch ein 'x+2' ersetzt wurde, wird der Graph der natürlichen Exponentialfunktion einfach um -2 in x-Richtung verschoben . 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 größer . Die Funktion ist also streng monoton steigend.
Wie $e^{x}$ strebt auch $e^{x + 2}$ für x → ∞ gegen ∞ .
Wie $e^{x}$ strebt auch $e^{x + 2}$ für x → -∞ gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $x^{4} - 5 x^{2} + 4$ und gib f in Linearfaktordarstellung an.

Lösung einblenden

Nullstellen sind die x-Werte, an denen der Funktionswert 0 beträgt, es muss also gelten:

f(x)=0

x^{4} - 5 x^{2} + 4

=

0

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

Setze u = $x^{2}$

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

$u^{2} - 5 u + 4$ = 0

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

u_1,2 = $\frac{+ 5 \pm \sqrt{{(- 5)}^{2} - 4 \cdot 1 \cdot 4}}{2 \cdot 1}$

u_1,2 = $\frac{+ 5 \pm \sqrt{25 - 16}}{2}$

u_1,2 = $\frac{+ 5 \pm \sqrt{9}}{2}$

u₁ = $\frac{5 + \sqrt{9}}{2}$ = $\frac{5+3}{2}$ = $\frac{8}{2}$ = $4$

u₂ = $\frac{5 - \sqrt{9}}{2}$ = $\frac{5-3}{2}$ = $\frac{2}{2}$ = $1$

Rücksubstitution:

u₁: $x^{2}$ = $4$

$x^{2}$	=	$4$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₁	=	$- \sqrt{4}$	= $- 2$
x₂	=	$\sqrt{4}$	= $2$

u₂: $x^{2}$ = $1$

$x^{2}$	=	$1$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₃	=	$- \sqrt{1}$	= $- 1$
x₄	=	$\sqrt{1}$	= $1$

L={ $- 2$ ; $- 1$ ; $1$ ; $2$ }

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

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

$f(x) =$ $(x + 2) \cdot (x - 2) \cdot (x + 1) \cdot (x - 1)$ = $x^{4} - 5 x^{2} + 4$

Anwendungen

Beispiel:

In einen Wassertank kann Wasser rein- und rausfließen. Die Änderungsrate des Wasservolumens im Tank kann an einem bestimmten Tag näherungsweise durch die Funktion f mit $f(t) =$ $5 t \cdot e^{- 0,1 t}$ beschrieben werden ( t ≥ 0 in min nach Beobachtungsbeginn, f(t) in m³/min). Zu Beginn sind 50 m³ Wasser im Tank.

Bestimme die größt mögliche Änderungsrate des Wasservolumens.
Wann nimmt die Änderungsrate des Wasservolumens am stärksten ab?
Bei welchem Wert pendelt sich Änderungsrate des Wasservolumens auf lange Sicht ein?

Lösung einblenden

y-Wert des Maximums (HP)

Gesucht ist der y-Wert des Hochpunkt. Wir berechnen also die Extremstellen von f:

Detail-Rechnung für den Hochpunkt ( $10$ |18.39) einblenden

$f(t) =$ $5 t \cdot e^{- 0,1 t}$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=> $f'(t) =$ $5 \cdot 1 \cdot e^{- 0,1 t} + 5 t \cdot e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,1)$

= $e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,5 t + 5)$

$f''(t) =$ $(- 0,5 + 0) \cdot e^{- 0,1 t} + (- 0,5 t + 5) \cdot e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,1)$

= $e^{- 0,1 t} \cdot (0,05 t - 1)$

= $(0,05 t - 1) e^{- 0,1 t}$

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f'(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f'(t) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

(- 0,5 t + 5) \cdot e^{- 0,1 t}

=

0

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

1. Fall:

$- 0,5 t + 5$	=	0	\| $- 5$
$- 0,5 t$	=	$- 5$	\|:( $- 0,5$ )
t₁	=	$10$

2. Fall:

e^{- 0,1 t}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Die Lösung t= $10$ ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(t):

Ist f''(t) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(t₀)=0 und f''(t₀)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(t₀)=0 und f'(t₀)>0).

f''( $10$ ) = $e^{- 0,1 \cdot 10} \cdot (0,05 \cdot 10 - 1)$ = $e^{- 1} \cdot (0,5 - 1)$ = $- 0,5 e^{- 1}$ <0

Das heißt bei t = $10$ ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f(t) eingesetzt werden.
f( $10$ ) = $5 \cdot 10 \cdot e^{- 0,1 \cdot 10}$ = $50 e^{- 1}$ ≈ 18.394
Man erhält so den Hochpunkt H:( $10$ | $50 e^{- 1}$ )

≈ H:(10|18.394)

Randwertuntersuchung

Da ja ein maximaler Wert, also ein globales Maximum gesucht wird, müssen wir noch untersuchen, ob vielleicht an den Rändern noch höhere Werte als beim lokalen Maximum auftreten.

Dazu setzen wir am linken Rand einfach die linke Grenze des Definitionsbereichs in die Funktion ein: f(0) = $5 \cdot 0 \cdot e^{- 0,1 \cdot 0}$ = 0. Am rechten Rand müssen wir das Verhalten für t → ∞ betrachten: Für t → ∞ ⇒ f(t) → 0.

Weil die Werte an den Rändern kleiner als am Hochpunkt sind, ist das lokale Maximum also ein globales Maximum von f.

18.39 ist also der größte Wert der Funktion.

t-Wert bei der stärksten Abnahme

Gesucht ist der t-Wert des Tiefpunkt der Ableitung.

Dazu berechnen wir erstmal die Ableitungsfunktion f':

f'(t)= $5 \cdot 1 \cdot e^{- 0,1 x} + 5 x \cdot e^{- 0,1 x} \cdot (- 0,1)$

= $e^{- 0,1 x} (- 0,5 x + 5)$

Wir berechnen also die Extremstellen von f':

Detail-Rechnung für den Tiefpunkt der Ableitung ( $20$ |-0.68) einblenden

$f'(t) =$ $e^{- 0,1 t} (- 0,5 t + 5)$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=> $f''(t) =$ $e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,1) \cdot (- 0,5 t + 5) + e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,5 + 0)$

= $e^{- 0,1 t} \cdot (0,05 t - 1)$

$f'''(t) =$ $(0,05 + 0) \cdot e^{- 0,1 t} + (0,05 t - 1) \cdot e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,1)$

= $e^{- 0,1 t} \cdot (- 0,005 t + 0,15)$

= $(- 0,005 t + 0,15) e^{- 0,1 t}$

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f''(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f''(t) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f' zu bestimmen.

(0,05 t - 1) \cdot e^{- 0,1 t}

=

0

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

1. Fall:

$0,05 t - 1$	=	0	\| $+ 1$
$0,05 t$	=	$1$	\|: $0,05$
t₁	=	$20$

2. Fall:

e^{- 0,1 t}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Die Lösung t= $20$ ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f'''(t):

Ist f'''(t) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f'''(t₀)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f''(t₀)>0).

f'''( $20$ ) = $e^{- 0,1 \cdot 20} \cdot (- 0,005 \cdot 20 + 0,15)$ = $e^{- 2} \cdot (- 0,1 + 0,15)$ = $0,05 e^{- 2}$ >0

Das heißt bei t = $20$ ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f'(t) eingesetzt werden.
f'( $20$ ) = $e^{- 0,1 \cdot 20} \cdot (- 0,5 \cdot 20 + 5)$ = $- 5 e^{- 2}$ ≈ -0.677
Man erhält so den Tiefpunkt T:( $20$ | $- 5 e^{- 2}$ )

≈ T:(20|-0.677)

Randwertuntersuchung

Da ja ein maximaler Wert, also ein globales Maximum gesucht wird, müssen wir noch untersuchen, ob vielleicht an den Rändern noch höhere Werte als beim lokalen Maximum auftreten.

Dazu setzen wir am linken Rand einfach die linke Grenze des Definitionsbereichs in die Funktion ein: f'(0) = $e^{- 0,1 \cdot 0} \cdot (- 0,5 \cdot 0 + 5)$ = $5 e^{0}$ . Am rechten Rand müssen wir das Verhalten für t → ∞ betrachten: Für t → ∞ ⇒ f'(t) → 0.

Weil der Funktionswert am linken Rand größer als am Hochpunkt ist, ist das (globale) Maximum bei 0 mit f'(0) = $5 e^{0}$ .

Bei t = $20$ ist also der kleinste Wert der Ableitungsfunktion.

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)= $5 t \cdot e^{- 0,1 t}$ → $5 \infty \cdot 0$
Der Exponentialterm im zweiten Faktor wächst sehr viel schneller gegen ∞ bzw. gegen 0 und setzt sich deswegen durch

Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 0.

Aufgabenbeispiele von allgemein

Term mit Eigenschaften finden

Eigenschaften von e-Funktionen

Nullstellen und Faktorisieren

Anwendungen

Randwertuntersuchung

Randwertuntersuchung