Aufgabenbeispiele von Exponentialfunktionen / Logarithmen

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Symmetrie e-Funktionen

Beispiel:

Entscheide welche Symmetrie bei der Funktion f mit f(x)= x · e x +1 vorliegt.

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Wir betrachten einfach f(-x) und schauen dann, ob das zufällig wieder f(x) oder -f(x) ist:

f(-x) = ( -x ) · e ( -x ) +1 = - x · e -x +1

Wenn man das mit f(x) = x · e x +1 vergleicht, kann man erkennen, dass f(-x) = - x · e -x +1
weder gleich f(x) = x · e x +1 noch gleich -f(x) = - x · e x +1 = - x · e x +1 ist.

Wir können dies ja auch anhand eines Gegenbeispiels nachweisen:

f(1) = 1 · e 1 +1 = 1 · e 2 ≈ 7.389
Aber: f(-1) = -1 · e -1 +1 = -1 · e 0 ≈ -1

Es gilt also: f(-x) ≠ f(x) und f(-x) ≠ -f(x)

Somit liegt bei f keine Symmetrie zum KoSy vor.

Parameter mit Graph bestimmen

Beispiel:

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Gegeben ist die Funktionenschar fk(x)= k e k x - k -3 . Die Abbildung rechts zeigt den Graph von fk für ein bestimmtes k. Bestimme dieses k.

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Das Problem bei e-Funktionen ist ja, dass wir normale Funktionswerte sehr schwer berechnen und dann nur sehr ungenau ablesen können :(

Die einzige Möglichkeit gut ablesbare Werte zu finden, ist also dort, wo der Exponentialterm (annähernd) = 0 ist - oder eben =1 ist, weil dort der Exponent =0 ist.

  • Da das k ja ein fester Wert ist, kann k e k x - k niemals = 0 werden.
  • Wenn der Exponent k x - k jedoch betragsmäßig sehr große und negative Werte annimmt, strebt der Exponentialterm k e k x - k recht schnell gegen 0. Das lässt sich auch gut in der waagrechten Asymptote bei -3 erkennen.
    Dieser zweite Summand ist aber unabhängig von k, so dass uns die Lage der Asymptote keinen Anhaltspunkt für den Wert von k gibt.
  • Wir müssen also den Exponent k x - k = 0 bekommen, um einen präzise ablesbaren Punkt auf dem Graph zu bekommen.
    k x - k = 0 | - ( - k )
    k x = k |:( k )
    x = 1
    Wenn wir nun 1 in fk einsetzen erhalten wir folgende Gleichung:
    fk(1 ) = k e k ⋅1 - k -3 = k -3
    im abgebildeten Term können wir aber ja f(1 ) = -2 ablesen, es gilt somit:
    k -3 = -2 | +3
    k = 1

Der abgebildete Graph ist somit der von f1

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Beispiel:

Die Funktion f mit f(x)= e -0,1x +0,3 -2 ist auf ihrer maximalen Definitionsmenge umkehrbar.

Bestimme die maximale Definitionsmenge und die Wertemenge von f sowie einen Term für die Umkehrfunktion f - .

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Maximale Definitionsmenge von f

Bei einer Exponentialfunktion kann man alle Werte für x einsetzen. (e0=1; e-c= 1 e c )

Für die maximale Definitionsmenge gilt somit: D = ℝ

Wertemenge von f

Der Exponent -0,1x +0,3 ist eine lineare Funktion (Gerade), die jeden Wert zwischen -∞ und ∞ annehmen kann.

Wir wissen, dass e -0,1x +0,3 für negative betragsmäßig große Werte im Exponent der 0 sehr schnell beliebig nahe kommt und für große positive Werte (sehr schnell) gegen ∞ strebt. Somit ist jeder Funktionswert im Bereich 0 < y < ∞ möglich.

Durch die -2 hinter dem e -0,1x +0,3 wird zu allen Funktionswerten von e -0,1x +0,3 noch -2 addiert. Dadurch verschiebt sich auch der Wertebereich zu W = {y ∈ ℝ | y > -2}

Umkehrfunktion

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Wir schreiben einfach mal y für f(x) und lösen die Funktionsgleichung nach x auf:

e -0,1x +0,3 -2 = y | +2
e -0,1x +0,3 = y +2 |ln(⋅)
-0,1x +0,3 = ln( y +2 )
-0,1x +0,3 = ln( y +2 ) | -0,3
-0,1x = ln( y +2 ) -0,3 |:(-0,1 )
x = - 1 0,1 ln( y +2 ) + 0,3 0,1

Statt jedem x ein y zuzuordnen (x ↦ y), wird bei der Umkehrfunktion ja gerade andersrum dem y das x zugeordnet (y ↦ x).
Deswegen vertauschen wir nun x und y:

y = - 1 0,1 ln( x +2 ) + 0,3 0,1

und erhalten so die Umkehrfunktion f - (x) = - 1 0,1 ln( x +2 ) + 0,3 0,1

Halbwerts-/Verdoppl.-Zeit bestimmen

Beispiel:

Gegeben ist der Exponentialfunktion f mit f(t)= c · 0,9 t mit unbekanntem Anfangswert c.

Bestimme die Halbwertszeit.

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Den Wachstumsfaktor a kann direkt aus dem Funktionterm f(t)= c · 0,9 t ablesen: a=0.9.

Mit der Formel für die Halbwertszeit gilt: TH = loga( 1 2 ).

Also TH = log0.9( 1 2 ) ≈ 6.58 (Zeiteinheiten)

c und ein Funktionswert gegeben

Beispiel:

Von einem radioaktiven Element sind zu Beobachtungsbeginn 70kg vorhanden. Nach 8 Tagen nach sind nur noch 25,17kg dieses Elements vorhanden. a) Wie viel kg des Elements sind 5 Tage nach Beobachtungsbeginn vorhanden? b) Wann sind nur noch 50kg vorhanden?

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Da es sich hier um exponentielles Wachstum handelt, muss der Funktionsterm von der Form f(t)= c · a t sein.

Den Anfangswert f(0)=c=70 kann man direkt aus der Aufgabe heraus lesen.

Somit wissen wir bereits, dass der Funktionsterm f(t)= 70⋅ a t mit einem Wachstumsfaktor a sein muss.

Der Wachstumsfaktor a ist zwar nicht gegeben, wir wissen aber, dass nach 8 Tage der Bestand 25.17 kg ist, also f(8) = 25.17. Dies setzen wir in unsern bisherigen Funktionterm f(t)= 70⋅ a t ein:

70 a 8 = 25,17 |:70
a 8 = 25,17 70 | ⋅8
a1 = - 25,17 70 8 ≈ -0,88
a2 = 25,17 70 8 ≈ 0,88

Da der Wachstumsfaktor a immer positiv sein muss, ist a= 0,88 ≈ 0.88 die einzige sinnvolle Lösung.

Damit ergibt sich der Funktionsterm f(t)= 70⋅ 0,88 t .

zu a)

Gesucht ist der Bestand zum Zeitpunkt t=5 Tage, also f(5):

f(5) = 70⋅ 0,88 5 ≈ 36,941.

zu b)

Hier wird gefragt, wann der Bestand = 50 kg ist, also f(t) = 50:

70⋅ 0,88 t = 50 |:70
0,88 t = 5 7 |lg(⋅)
lg( 0,88 t ) = lg( 5 7 )
t · lg( 0,88 ) = lg( 5 7 ) |: lg( 0,88 )
t = lg( 5 7 ) lg( 0,88 )
t = 2,6321

Nach ca. 2,632 Tage ist also der Bestand = 50 kg.