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) → 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 +0 .

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 der e-Funktion. Also multiplizieren wir einfach mal ein ex zu unserem bisherigen Term dazu: f(x)= x · e x . 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:
f(x)= - x · e x

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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 negativen Koeffizient vor dem e x erkennen wir, dass der Graph gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion an der x-Achse gespiegelt (und noch in y-Richtung gestreckt) wurde. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Alle Funktionswerte werden so <0, also verläuft der Graph komplett unter der x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden zwar (wie bei e x ) betragsmäßig immer größer, durch das negative Vorzeichen aber immer kleiner. Die Funktion ist also streng monoton fallend.
  • Während e x für x → ∞ auch gegen ∞ strebt, strebt der gespiegelte Term gegen - ∞.
  • Wie e x strebt für x → -∞ auch -3 e x gegen 0 (nur eben von unten statt von oben).

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= x 5 +4 x 3 -5x 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 5 +4 x 3 -5x = 0
x ( x 4 +4 x 2 -5 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 4 +4 x 2 -5 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +4u -5 = 0

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

u1,2 = -4 ± 4 2 -4 · 1 · ( -5 ) 21

u1,2 = -4 ± 16 +20 2

u1,2 = -4 ± 36 2

u1 = -4 + 36 2 = -4 +6 2 = 2 2 = 1

u2 = -4 - 36 2 = -4 -6 2 = -10 2 = -5

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

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

u2: x 2 = -5

x 2 = -5 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -1 ; 0; 1 }

Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.

Wenn wir den substituierten Term u 2 +4u -5 anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

x 4 +4 x 2 -5 =nach Substitution u 2 +4u -5 = ( u -1 ) · ( u +5 ) =nach Re-Substitution ( -1 ) · ( +5 )

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

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

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für t ≥ 0 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 25 +23 e -0,7t beschrieben werden (t in Jahren nach Beobachtungsbeginn, f(t) in Dezimeter pro Jahr).
Zu Beginn ist der Baum 4 Dezimeter hoch.

  1. Bestimme die Wachstumsgeschwindigkeit nach 2 Jahren?
  2. Wie groß ist die Wachstumsgeschwindigkeit auf lange Sicht?
  3. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 32 dm pro Jahr?
  4. Um wie viele Dezimeter ist der Baum zwischen Jahr 0 und Jahr 3 gewachsen?

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  1. y-Wert bei t = 2

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=2. Wir berechnen also einfach f(2) = 25 +23 e -0,72 = 23 e -1,4 +25 ≈ 30.7


  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)= 25 +23 e -0,7t 25 +0

    Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 25 .

  3. Erster t-Wert bei y = 32

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y=32 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 32 und lösen nach t auf:

    25 +23 e -0,7t = 32
    23 e -0,7t +25 = 32 | -25
    23 e -0,7t = 7 |:23
    e -0,7t = 7 23 |ln(⋅)
    -0,7t = ln( 7 23 ) |:-0,7
    t = - 1 0.7 ln( 7 23 ) ≈ 1.6994

    Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert 32 annimmt, ist also nach 1.7 Jahre.

  4. 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 0 3 ( 25 +23 e -0,7t ) t berechnet werden.

    0 3 ( 25 +23 e -0,7t ) t

    = [ 25x - 230 7 e -0,7x ] 0 3

    = 253 - 230 7 e -0,73 - ( 250 - 230 7 e -0,70 )

    = 75 - 230 7 e -2,1 - (0 - 230 7 e 0 )

    = - 230 7 e -2,1 +75 - (0 - 230 7 )

    = - 230 7 e -2,1 +75 - (0 - 230 7 )

    = - 230 7 e -2,1 +75 + 230 7

    = - 230 7 e -2,1 + 755 7


    ≈ 103,834

    103.83 dm ist also der gesuchte Zuwachs des Bestands.