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:

  • gemeinsame Punkte mit der x-Achse: N1(1|0) und N2(-1|0)
  • Schnittpunkt mit der y-Achse: Sy(0|2)

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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 ) · ( x +1 ) .

Um den y-Achsenabschnitt Sy(0|2) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:

f(0) = ( 0 -1 ) · ( 0 +1 ) = -1

Wir müssen somit unseren Term noch mit dem Koeffizienten -2 multiplizieren, damit wir den gegebenen y-Achsenabschnit erhalten:

f(0) = -2 · ( 0 -1 ) · ( 0 +1 ) = 2

Da also auch der y-Achsenabschnit passt, haben wir nun einen fertigen Funktionsterm f(x)= -2 ( x -1 ) ( x +1 ) .

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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)= 2 e x .

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

Am Koeffizient vor dem e x erkennen wir, dass der Graph gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion lediglich in y-Richtung gestreckt wurde. Qualitativ unterscheiden sich die beiden Graphen also nicht. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Alle Funktionswerte sind >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
  • Wie e x strebt für x → ∞ auch 2 e x gegen ∞.
  • Wie e x strebt für x → -∞ auch 2 e x gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= x 7 + x 5 -2 x 3 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 7 + x 5 -2 x 3 = 0
x 3 ( x 4 + x 2 -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 3 = 0 | 3
x1 = 0

2. Fall:

x 4 + x 2 -2 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -2 = 0

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

u1,2 = -1 ± 1 2 -4 · 1 · ( -2 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +8 2

u1,2 = -1 ± 9 2

u1 = -1 + 9 2 = -1 +3 2 = 2 2 = 1

u2 = -1 - 9 2 = -1 -3 2 = -4 2 = -2

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x2 = - 1 = -1
x3 = 1 = 1

u2: x 2 = -2

x 2 = -2 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -1 ; 0; 1 }

0 ist 3-fache Lösung!

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

Wenn wir den substituierten Term u 2 + u -2 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 + x 2 -2 =nach Substitution u 2 + u -2 = ( u -1 ) · ( u +2 ) =nach Re-Substitution ( -1 ) · ( +2 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= x 3 · ( x +1 ) · ( x -1 ) · ( x 2 +2 ) = x 7 + x 5 -2 x 3

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 30 -17 e -0,6t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 2 Dezimeter hoch.

  1. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  2. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 26 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)= 30 -17 e -0,6t 30 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 30 .

  2. Erster t-Wert bei y = 26

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=26 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 26 und lösen nach t auf:

    30 -17 e -0,6t = 26
    -17 e -0,6t +30 = 26 | -30
    -17 e -0,6t = -4 |:-17
    e -0,6t = 4 17 |ln(⋅)
    -0,6t = ln( 4 17 ) |:-0,6
    t = - 1 0.6 ln( 4 17 ) ≈ 2.4115

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 26 annimmt, ist also nach 2.41 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 2 und dem Integral 0 3 ( 30 -17 e -0,6t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 30 -17 e -0,6t ) t

    = [ 30x + 85 3 e -0,6x ] 0 3

    = 303 + 85 3 e -0,63 - ( 300 + 85 3 e -0,60 )

    = 90 + 85 3 e -1,8 - (0 + 85 3 e 0 )

    = 85 3 e -1,8 +90 - (0 + 85 3 )

    = 85 3 e -1,8 +90 - (0 + 85 3 )

    = 85 3 e -1,8 +90 - 85 3

    = 85 3 e -1,8 + 185 3


    ≈ 66,35

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 2 + 66.35 = 68.35

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