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(0|0) und N2(-2|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 +0 ) · ( x +2 ) .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Da bei unserem bisherigen Term x ( x +2 ) = x 2 +2x 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 ( x +2 ) = - x 2 -2x

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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)= - x 5 -5 x 3 +6x 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 5 -5 x 3 +6x = 0
- x ( x 4 +5 x 2 -6 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 4 +5 x 2 -6 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +5u -6 = 0

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

u1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

u1,2 = -5 ± 25 +24 2

u1,2 = -5 ± 49 2

u1 = -5 + 49 2 = -5 +7 2 = 2 2 = 1

u2 = -5 - 49 2 = -5 -7 2 = -12 2 = -6

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

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

u2: x 2 = -6

x 2 = -6 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -1 ; 0; 1 }

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

Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor -1 darf natürlich nicht vergessen werden:

Wenn wir den substituierten Term u 2 +5u -6 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 +5 x 2 -6 =nach Substitution u 2 +5u -6 = ( u -1 ) · ( u +6 ) =nach Re-Substitution ( -1 ) · ( +6 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= - x · ( x +1 ) · ( x -1 ) · ( x 2 +6 ) = - x 5 -5 x 3 +6x

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 25 +19 e -0,5t 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 3 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 32 dm pro Jahr?
  4. Um wie viele Dezimeter ist der Baum zwischen Jahr 0 und Jahr 3 gewachsen?

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  1. y-Wert bei t = 3

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=3. Wir berechnen also einfach f(3) = 25 +19 e -0,53 = 19 e -1,5 +25 ≈ 29.2


  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)= 25 +19 e -0,5t 25 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 25 .

  3. Erster t-Wert bei y = 32

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=32 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 32 und lösen nach t auf:

    25 +19 e -0,5t = 32
    19 e -0,5t +25 = 32 | -25
    19 e -0,5t = 7 |:19
    e -0,5t = 7 19 |ln(⋅)
    -0,5t = ln( 7 19 ) |:-0,5
    t = - 1 0.5 ln( 7 19 ) ≈ 1.9971

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 32 annimmt, ist also nach 2 Jahre.

  4. Zuwachs des Bestands zwischem 0 und 3

    Gesucht ist ja der Zuwachs des Bestands zwischen t1=0 und t2=3 und weil ja f die Änderungsrate des Bestands angibt, kann dieser Zuwachs des Bestands mit dem Integral 0 3 ( 25 +19 e -0,5t ) t berechnet werden.

    0 3 ( 25 +19 e -0,5t ) t

    = [ 25x -38 e -0,5x ] 0 3

    = 253 -38 e -0,53 - ( 250 -38 e -0,50 )

    = 75 -38 e -1,5 - (0 -38 e 0 )

    = -38 e -1,5 +75 - (0 -38 )

    = -38 e -1,5 +75 +38

    = -38 e -1,5 +113


    ≈ 104,521

    104.52 dm ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.