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(-1|0)
  • Verhalten für x → -∞: f(x) → ∞
  • 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 +1 ) .

Jetzt betrachten wir das Verhalten für x → ± ∞ :

Unser Term x ( x +1 ) = x 2 + x erfüllt nun alle geforderten Eigenschaften.

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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)= 3 e x .

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Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f0(x)= e x (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).

Am Koeffizient vor dem e x erkennen wir, dass der Graph gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion lediglich in y-Richtung gestreckt wurde. Qualitativ unterscheiden sich die beiden Graphen also nicht. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Alle Funktionswerte sind >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
  • Wie e x strebt für x → ∞ auch 3 e x gegen ∞.
  • Wie e x strebt für x → -∞ auch 3 e x gegen 0 .

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= -2 x 5 -4 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

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

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 4 +2 x 2 -3 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u -3 = 0

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -3 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +12 2

u1,2 = -2 ± 16 2

u1 = -2 + 16 2 = -2 +4 2 = 2 2 = 1

u2 = -2 - 16 2 = -2 -4 2 = -6 2 = -3

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

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

u2: x 2 = -3

x 2 = -3 | 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 -2 darf natürlich nicht vergessen werden:

Wenn wir den substituierten Term u 2 +2u -3 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 +2 x 2 -3 =nach Substitution u 2 +2u -3 = ( u -1 ) · ( u +3 ) =nach Re-Substitution ( -1 ) · ( +3 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

f(x)= -2 x · ( x +1 ) · ( x -1 ) · ( x 2 +3 ) = -2 x 5 -4 x 3 +6x

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 15 +10 e -0,6t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 1 Dezimeter hoch.

  1. Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 4 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 21 dm pro Jahr?
  4. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. y-Wert bei t = 4

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=4. Wir berechnen also einfach f(4) = 15 +10 e -0,64 = 10 e -2,4 +15 ≈ 15.9


  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)= 15 +10 e -0,6t 15 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 15 .

  3. Erster t-Wert bei y = 21

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=21 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 21 und lösen nach t auf:

    15 +10 e -0,6t = 21
    10 e -0,6t +15 = 21 | -15
    10 e -0,6t = 6 |:10
    e -0,6t = 3 5 |ln(⋅)
    -0,6t = ln( 3 5 ) |:-0,6
    t = - 1 0.6 ln( 3 5 ) ≈ 0.8514

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 21 annimmt, ist also nach 0.85 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 1 und dem Integral 0 3 ( 15 +10 e -0,6t ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 15 +10 e -0,6t ) t

    = [ 15x - 50 3 e -0,6x ] 0 3

    = 153 - 50 3 e -0,63 - ( 150 - 50 3 e -0,60 )

    = 45 - 50 3 e -1,8 - (0 - 50 3 e 0 )

    = - 50 3 e -1,8 +45 - (0 - 50 3 )

    = - 50 3 e -1,8 +45 - (0 - 50 3 )

    = - 50 3 e -1,8 +45 + 50 3

    = - 50 3 e -1,8 + 185 3


    ≈ 58,912

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 1 + 58.912 = 59.912

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