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)
  • einen Punkt mit waagrechter Tangente bei 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 +2 .

Der Punkt mit waagrechter Tangente bei x = 0 erhalten wir am einfachsten mit einer doppelten Nullstelle, weil eine doppelte Nullstelle ja immer nur die x-Achse berührt, ohne sie zu überschreiten. Dadurch liegt an einer doppelten Nullstelle stets ein Extrempunkt, also ein Punkt mit waagrechter Tangente vor.

Als neuen Term erhalten wir somit f(x)= ( x +2 ) · ( x +0 ) 2

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Da bei unserem bisherigen Term ( x +2 ) x 2 = x 3 +2 x 2 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 +2 ) x 2 = - x 3 -2 x 2

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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 unten verschoben. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Da der Graph nach unten verschoben wurde, schneidet er nun die 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 7 +5 x 5 -6 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 +5 x 5 -6 x 3 = 0
x 3 ( x 4 +5 x 2 -6 ) = 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 +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 }

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 +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 3 · ( x +1 ) · ( x -1 ) · ( x 2 +6 ) = x 7 +5 x 5 -6 x 3

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 50 -27 e -0,6t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 3 Dezimeter hoch.

  1. Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 5 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 42 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) = 50 -27 e -0,65 = -27 e -3 +50 ≈ 48.7


  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)= 50 -27 e -0,6t 50 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 50 .

  3. Erster t-Wert bei y = 42

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=42 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 42 und lösen nach t auf:

    50 -27 e -0,6t = 42
    -27 e -0,6t +50 = 42 | -50
    -27 e -0,6t = -8 |:-27
    e -0,6t = 8 27 |ln(⋅)
    -0,6t = ln( 8 27 ) |:-0,6
    t = - 1 0.6 ln( 8 27 ) ≈ 2.0273

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 42 annimmt, ist also nach 2.03 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 3 und dem Integral 0 3 ( 50 -27 e -0,6t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 50 -27 e -0,6t ) t

    = [ 50x +45 e -0,6x ] 0 3

    = 503 +45 e -0,63 - ( 500 +45 e -0,60 )

    = 150 +45 e -1,8 - (0 +45 e 0 )

    = 45 e -1,8 +150 - (0 +45 )

    = 45 e -1,8 +150 -45

    = 45 e -1,8 +105


    ≈ 112,438

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 3 + 112.438 = 115.438

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