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

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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 e-x. Also multiplizieren wir einfach mal ein e-x 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 +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 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)= 2 x 2 -18 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

2 x 2 -18 = 0 | +18
2 x 2 = 18 |:2
x 2 = 9 | 2
x1 = - 9 = -3
x2 = 9 = 3

L={ -3 ; 3 }

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

Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor 2 darf natürlich nicht vergessen werden:

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= 2 ( x +3 ) · ( x -3 ) = 2 x 2 -18

Anwendungen

Beispiel:

Eine neue trendy App wird veröffentlicht. Dabei kann die tägliche Downloadzahl (in K) näherungsweise für t ≥ 0 durch die Funktion f mit f(t)= 20 -19 e -0,5t beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

  1. Wie viele Downloads (in Tausend) werden am Tag 3 heruntergeladen?.
  2. Gegen welchen Wert entwickeln sich die Downloadzahlen auf lange Sicht?
  3. Wann erreicht die Downloadzahl erstmals 8 (Tausend)?
  4. Wie viele Tausend Downloads wurden insgesamt nach den ersten 3 Tagen heruntergeladen?

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  1. y-Wert bei t = 3

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=3. Wir berechnen also einfach f(3) = 20 -19 e -0,53 = -19 e -1,5 +20 ≈ 15.8


  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 -0,5t 20 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 20 .

  3. Erster t-Wert bei y = 8

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=8 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 8 und lösen nach t auf:

    20 -19 e -0,5t = 8
    -19 e -0,5t +20 = 8 | -20
    -19 e -0,5t = -12 |:-19
    e -0,5t = 12 19 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 12 19 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 12 19 ) ≈ 0.9191

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 8 annimmt, ist also nach 0.92 Tage.

  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 0 und dem Integral 0 3 ( 20 -19 e -0,5t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 20 -19 e -0,5t ) t

    = [ 20x +38 e -0,5x ] 0 3

    = 203 +38 e -0,53 - ( 200 +38 e -0,50 )

    = 60 +38 e -1,5 - (0 +38 e 0 )

    = 38 e -1,5 +60 - (0 +38 )

    = 38 e -1,5 +60 -38

    = 38 e -1,5 +22


    ≈ 30,479

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 0 + 30.479 = 30.479

    30.48 Tausend Downloads ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.