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) → 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 +2 .

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 +2 ) · 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 +2 ) · 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)= e x -2 .

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

Da bei e x -2 zu jedem Funktionswert von e x noch -2 addiert wird, hat der Graph von e x -2 die gleiche Form wie der der natürlichen Exponentialfunktion, nur eben um 2 nach unten verschoben. Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

  • Da der Graph nach unten verschoben wurde, schneidet er nun die x-Achse.
  • Die Funktionswerte werden (von links nach rechts) immer größer. Die Funktion ist also streng monoton steigend.
  • Wie e x strebt auch e x -2 für x → ∞ gegen ∞ .
  • Für x → -∞ strebt e x -2 gegen 0 -2, also gegen -2.

Nullstellen und Faktorisieren

Beispiel:

Bestimme alle Nullstellen der Funktion f mit f(x)= - x 8 -2 x 6 +3 x 4 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 8 -2 x 6 +3 x 4 = 0
- x 4 ( x 4 +2 x 2 -3 ) = 0

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

1. Fall:

x 4 = 0 | 4
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 }

0 ist 4-fache Lösung!

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

Auch der ausgeklammerte (oder wegdividierte) Faktor -1 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)= - x 4 · ( x +1 ) · ( x -1 ) · ( x 2 +3 ) = - x 8 -2 x 6 +3 x 4

Anwendungen

Beispiel:

Die momentane Wachstumsrate der Höhe eines Baums kann für 0 ≤ t ≤ 10 näherungsweise durch die Funktion f mit f(t)= 2 5 t 2 -4t +13 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. Wann beträgt die Wachstumsgeschwindigkeit erstmals 33 5 dm pro Jahr?
  3. Wie hoch ist der Baum nach 3 Jahren?

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  1. y-Wert bei t = 2

    Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=2. Wir berechnen also einfach f(2) = 2 5 2 2 -42 +13 = 33 5 ≈ 6.6


  2. Erster t-Wert bei y = 33 5

    Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y= 33 5 annimmt.

    Dazu setzen wir die Funktion einfach = 33 5 und lösen nach t auf:

    2 5 t 2 -4t +13 = 33 5 |⋅ 5
    5( 2 5 t 2 -4t +13 ) = 33
    2 t 2 -20t +65 = 33 | -33
    2 t 2 -20t +32 = 0 |:2

    t 2 -10t +16 = 0

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

    t1,2 = +10

  3. 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 4 und dem Integral 0 3 ( 2 5 t 2 -4t +13 ) t berechnet werden.

    Wir berechenn also zuerst das Integral:

    0 3 ( 2 5 t 2 -4t +13 ) t

    = [ 2 15 x 3 -2 x 2 +13x ] 0 3

    = 2 15 3 3 -2 3 2 +133 - ( 2 15 0 3 -2 0 2 +130 )

    = 2 15 27 -29 +39 - ( 2 15 0 -20 +0)

    = 18 5 -18 +39 - (0+0+0)

    = 18 5 - 90 5 + 195 5 +0

    = 123 5


    = 24,6

    Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
    B(3)≈ 4 + 24.6 = 28.6

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