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
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 3 addiert wird, hat der Graph von 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 strebt auch für x → ∞ gegen ∞ .
- Für x → -∞ strebt
gegen 0
+ 3 , also gegen 3.
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 =
x2 =
x3 =
L={
Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.
Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:
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
- Wie hoch ist die Änderungsrate des Wasservolumens 3 Minuten nach Beobachtungsbeginn.
- Nach wie vielen Sekunden erreicht die Änderungsrate des Wasservolumens erstmals
m³/min?23 5 - Wie viel m³ Wasser sind 3 Minuten nach Beobachtungsbeginn im Wassertank?
- y-Wert bei t = 3
Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=3. Wir berechnen also einfach f(3) =
=2 5 ⋅ 3 2 - 4 ⋅ 3 + 11 ≈ 2.613 5
- Erster t-Wert bei y =
23 5 Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=
annimmt.23 5 Dazu setzen wir die Funktion einfach =
und lösen nach t auf:23 5 2 5 t 2 - 4 t + 11 = 23 5 |⋅ 5 5 ( 2 5 t 2 - 4 t + 11 ) = 23 2 t 2 - 20 t + 55 = 23 | - 23 2 t 2 - 20 t + 32 = 0 |:2 = 0t 2 - 10 t + 16 eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):
t1,2 =
+ 10 - 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
berechnet werden.∫ 0 3 ( 2 5 t 2 - 4 t + 11 ) ⅆ t Wir berechenn also zuerst das Integral:
∫ 0 3 ( 2 5 t 2 - 4 t + 11 ) ⅆ t =
[ 2 15 x 3 - 2 x 2 + 11 x ] 0 3 = 2 15 ⋅ 3 3 - 2 ⋅ 3 2 + 11 ⋅ 3 - ( 2 15 ⋅ 0 3 - 2 ⋅ 0 2 + 11 ⋅ 0 ) =
2 15 ⋅ 27 - 2 ⋅ 9 + 33 - ( 2 15 ⋅ 0 - 2 ⋅ 0 + 0 ) =
18 5 - 18 + 33 - ( 0 + 0 + 0 ) =
18 5 - 90 5 + 165 5 + 0 =
93 5
= 18,6Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
B(3)≈ 30 + 18.6 = 48.648.6 m³ ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.
- Bestand zur Zeit 3
