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(2|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 -2 .

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 -2 ) · 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 -2 ) · 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 +3 .

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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 +3 zu jedem Funktionswert von e x noch 3 addiert wird, hat der Graph von e x +3 die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 3 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 +3 für x → ∞ gegen ∞ .
  • Für x → -∞ strebt e x +3 gegen 0 +3, also gegen 3.

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

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

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

x2,3 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · 2 21

x2,3 = -3 ± 9 -8 2

x2,3 = -3 ± 1 2

x2 = -3 + 1 2 = -3 +1 2 = -2 2 = -1

x3 = -3 - 1 2 = -3 -1 2 = -4 2 = -2

L={ -2 ; -1 ; 0}

0 ist 3-fache Lösung!

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

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= x 3 · ( x +1 ) · ( x +2 ) = x 5 +3 x 4 +2 x 3

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)= 2 5 t 2 -4t +11 beschrieben werden ( 0 ≤ t ≤ 10 in min nach Beobachtungsbeginn, f(t) in m³/min). Zu Beginn sind 30 m³ Wasser im Tank.

  1. Wie hoch ist die Änderungsrate des Wasservolumens 3 Minuten nach Beobachtungsbeginn.
  2. Nach wie vielen Sekunden erreicht die Änderungsrate des Wasservolumens erstmals 23 5 m³/min?
  3. Wie viel m³ Wasser sind 3 Minuten nach Beobachtungsbeginn im Wassertank?

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  1. y-Wert bei t = 3

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=3. Wir berechnen also einfach f(3) = 2 5 3 2 -43 +11 = 13 5 ≈ 2.6


  2. Erster t-Wert bei y = 23 5

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y= 23 5 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 23 5 und lösen nach t auf:

    2 5 t 2 -4t +11 = 23 5 |⋅ 5
    5( 2 5 t 2 -4t +11 ) = 23
    2 t 2 -20t +55 = 23 | -23
    2 t 2 -20t +32 = 0 |:2

    t 2 -10t +16 = 0

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

    t1,2 = +10

  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 30 und dem Integral 0 3 ( 2 5 t 2 -4t +11 ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 2 5 t 2 -4t +11 ) t

    = [ 2 15 x 3 -2 x 2 +11x ] 0 3

    = 2 15 3 3 -2 3 2 +113 - ( 2 15 0 3 -2 0 2 +110 )

    = 2 15 27 -29 +33 - ( 2 15 0 -20 +0)

    = 18 5 -18 +33 - (0+0+0)

    = 18 5 - 90 5 + 165 5 +0

    = 93 5


    = 18,6

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 30 + 18.6 = 48.6

    48.6 m³ ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.