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) → ∞
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 → ± ∞ :
Unser Term = erfüllt nun alle geforderten Eigenschaften.
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).
Am Koeffizient vor dem 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 strebt für x → ∞ auch gegen ∞.
- Wie strebt für x → -∞ auch gegen 0 .
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:
| = |
Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!
Setze u =
Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:
= 0
eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):
u1,2 =
u1,2 =
u1,2 =
u1 =
= =
u2 =
Rücksubstitution:
u1:
|
|
= | |
|
|
| x2 | = |
|
=
|
| x3 | = |
|
=
|
u2:
|
|
= | |
|
Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!
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:
Wenn wir den substituierten Term
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 1 Dezimeter hoch.
- Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 4 Jahren?
- Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
- Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 21 dm pro Jahr?
- Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?
- y-Wert bei t = 4
Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=4. Wir berechnen also einfach f(4) =
=15 + 10 e - 0,6 ⋅ 4 ≈ 15.910 e - 2,4 + 15
- 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 - 0,6 t 15 + 0 Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen
.15 - 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 - 0,6 t = 21 10 e - 0,6 t + 15 = 21 | - 15 10 e - 0,6 t = 6 |: 10 e - 0,6 t = 3 5 |ln(⋅) - 0,6 t = 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.
- 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
berechnet werden.∫ 0 3 ( 15 + 10 e - 0,6 t ) ⅆ t Wir berechenn also zuerst das Integral:
∫ 0 3 ( 15 + 10 e - 0,6 t ) ⅆ t =
[ 15 x - 50 3 e - 0,6 x ] 0 3 = 15 ⋅ 3 - 50 3 e - 0,6 ⋅ 3 - ( 15 ⋅ 0 - 50 3 e - 0,6 ⋅ 0 ) =
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
≈ 58,912Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
B(3)≈ 1 + 58.912 = 59.91259.91 dm ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.
