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(0|0)
- Verhalten für x → -∞: f(x) → ∞
- Verhalten für x → ∞: f(x) → 0
Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also .
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:
. 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:
Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet
Eigenschaften von e-Funktionen
Beispiel:
Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= .
Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f0(x)= (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).
Da bei zu jedem Funktionswert von noch 1 addiert wird, hat der Graph von die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 1 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 strebt auch für x → ∞ gegen ∞ .
- Für x → -∞ strebt
gegen 0
+ 1 , also gegen 1.
Nullstellen und Faktorisieren
Beispiel:
Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit und gib f in Linearfaktordarstellung an.
Nullstellen sind die x-Werte, an denen der Funktionswert 0 beträgt, es muss also gelten:
f(x)=0
| = | |||
| = |
Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.
1. Fall:
| = | | | ||
| x1 | = |
2. Fall:
eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):
x2,3 =
x2,3 =
x2,3 =
Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:
x =
L={
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:
Anwendungen
Beispiel:
Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit
Zu Beginn ist der Baum 4 Dezimeter hoch.
- Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
- Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 27 dm pro Jahr?
- Um wie viele Dezimeter ist der Baum zwischen Jahr 0 und Jahr 3 gewachsen?
- 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)=
→35 - 28 e - 0,6 t 35 + 0 Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen
.35 - Erster t-Wert bei y = 27
Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=27 annimmt.
Dazu setzen wir die Funktion einfach = 27 und lösen nach t auf:
35 - 28 e - 0,6 t = 27 - 28 e - 0,6 t + 35 = 27 | - 35 - 28 e - 0,6 t = - 8 |: - 28 e - 0,6 t = 2 7 |ln(⋅) - 0,6 t = ln ( 2 7 ) |: - 0,6 t = - 1 0.6 ln ( 2 7 ) ≈ 2.0879 Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 27 annimmt, ist also nach 2.09 Jahre.
- 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
berechnet werden.∫ 0 3 ( 35 - 28 e - 0,6 t ) ⅆ t ∫ 0 3 ( 35 - 28 e - 0,6 t ) ⅆ t =
[ 35 x + 140 3 e - 0,6 x ] 0 3 = 35 ⋅ 3 + 140 3 e - 0,6 ⋅ 3 - ( 35 ⋅ 0 + 140 3 e - 0,6 ⋅ 0 ) =
105 + 140 3 e - 1,8 - ( 0 + 140 3 e 0 ) =
140 3 e - 1,8 + 105 - ( 0 + 140 3 ) =
140 3 e - 1,8 + 105 - ( 0 + 140 3 ) =
140 3 e - 1,8 + 105 - 140 3 =
140 3 e - 1,8 + 175 3
≈ 66,04766.05 dm ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.
