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)
  • Verhalten für x → -∞: f(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 .

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 ex zu unserem bisherigen Term dazu: f(x)= ( x -1 ) · e x . Weil jetzt aber für x → +∞ : f(x) → +∞ streben würde, es ja aber gegen -∞ streben soll, spiegeln wir einfach die Funktion an der x-Achse, indem wir den Term mit -1 multiplizieren und erhalten so:
f(x)= - ( x -1 ) · 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 +1 .

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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 +1 zu jedem Funktionswert von e x noch 1 addiert wird, hat der Graph von e x +1 die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 1 nach oben 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 +1 für x → ∞ gegen ∞ .
  • Für x → -∞ strebt e x +1 gegen 0 +1, also gegen 1.

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= x 3 -6 x 2 +9x 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 3 -6 x 2 +9x = 0
x ( x 2 -6x +9 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 2 -6x +9 = 0

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

x2,3 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · 9 21

x2,3 = +6 ± 36 -36 2

x2,3 = +6 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

x = 6 2 = 3

L={0; 3 }

3 ist 2-fache Lösung!

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

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= x · ( x -3 ) 2 = x 3 -6 x 2 +9x

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 20 +19 e -0,7t 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. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 21 dm pro Jahr?
  4. 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) = 20 +19 e -0,75 = 19 e -3,5 +20 ≈ 20.6


  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)= 20 +19 e -0,7t 20 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 20 .

  3. Erster t-Wert bei y = 21

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=21 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 21 und lösen nach t auf:

    20 +19 e -0,7t = 21
    19 e -0,7t +20 = 21 | -20
    19 e -0,7t = 1 |:19
    e -0,7t = 1 19 |ln(⋅)
    -0,7t = ln( 1 19 ) |:-0,7
    t = - 1 0.7 ln( 1 19 ) ≈ 4.2063

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 21 annimmt, ist also nach 4.21 Jahre.

  4. 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 ( 20 +19 e -0,7t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 20 +19 e -0,7t ) t

    = [ 20x - 190 7 e -0,7x ] 0 3

    = 203 - 190 7 e -0,73 - ( 200 - 190 7 e -0,70 )

    = 60 - 190 7 e -2,1 - (0 - 190 7 e 0 )

    = - 190 7 e -2,1 +60 - (0 - 190 7 )

    = - 190 7 e -2,1 +60 - (0 - 190 7 )

    = - 190 7 e -2,1 +60 + 190 7

    = - 190 7 e -2,1 + 610 7


    ≈ 83,819

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 4 + 83.819 = 87.819

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