Mathebattle EduRandomtasks

Eigenschaften von e-Funktionen

Beispiel:

Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= $- e^{x + 3} + 2$ .

Als erstes erinnern wir uns an 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 wurde.

Da bei $- e^{x + 3} + 2$ zu jedem Funktionswert von $e^{x}$ noch 2 addiert wird, ist der Graph von $- e^{x + 3} + 2$ gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion, um 2 nach oben verschoben.

Da bei $- e^{x + 3} + 2$ das x von $e^{x}$ durch ein 'x+3' ersetzt wurde, wird der Graph der natürlichen Exponentialfunktion um -3 in x-Richtung verschoben .

Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

Dadurch schneidet der Graph von f die x-Achse.
Die Funktionswerte werden also immer kleiner, die Funktion ist also streng monoton fallend.
Für x → ∞ strebt $- e^{x + 3} + 2$ gegen $- \infty$ .
Für x → - ∞ strebt $- e^{x + 3} + 2$ gegen $0 + 2$ = $2$ .

Symmetrie e-Funktionen

Beispiel:

Entscheide welche Symmetrie bei der Funktion f mit $f(x) =$ $x \cdot e^{x^{2} + x}$ vorliegt.

Lösung einblenden

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

f(-x) = $(- x) \cdot e^{{(- x)}^{2} + (- x)}$ = $- x \cdot e^{x^{2} - x}$

Wenn man das mit f(x) = $x \cdot e^{x^{2} + x}$ vergleicht, kann man erkennen, dass f(-x) = $- x \cdot e^{x^{2} - x}$
weder gleich f(x) = $x \cdot e^{x^{2} + x}$ noch gleich -f(x) = $- x \cdot e^{x^{2} + x}$ = $- x \cdot e^{x^{2} + x}$ ist.

Wir können dies ja auch anhand eines Gegenbeispiels nachweisen:

f(1) = $1 \cdot e^{1^{2} + 1}$ = $1 \cdot e^{2}$ ≈ 7.389
Aber: f(-1) = $- 1 \cdot e^{{(- 1)}^{2} - 1}$ = $- 1 \cdot e^{0}$ ≈ -1

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

Somit liegt bei f keine Symmetrie zum KoSy vor.

e-Funktion Graph zu Term finden

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x) = $x - 1 + e^{- 3 x}$

Eines der vier unten stehenden Schaubilder zeigt den Graph von f.

Entscheide, welches der vier dies ist. Suche dazu jeweils bei den drei anderen einen Beweis, dass es sich nicht um die Ableitungsfunktion handeln kann.

1

2

3

4

Lösung einblenden

Wir untersuchen zuerst den gegeben Funktionsterm:

y-Achsenabschnitt: f(0) = $0 - 1 + e^{- 3 \cdot 0}$ = 0
Nullstellen: f(x) = 0
(Diese Gleichung können wir leider nicht lösen)
Grenz-Verhalten:
- Für x → -∞ strebt f(x)= $x - 1 + e^{- 3 x}$ gegen " $- \infty - 1 + \infty$ " = $\infty$
- Für x → +∞ strebt f(x) = $x - 1 + e^{- 3 x}$ gegen " $\infty - 1 + 0$ " = $\infty$

Eventuell braucht noch die Punkte mit waagrechter Tangente für die Entscheidung. Dazu leiten wir f erstmal ab:
f'(x) =

1 + 0 + e^{- 3 x} \cdot (- 3)

=

- 3 e^{- 3 x} + 1

.
f'(x) = 0:

$- 3 e^{- 3 x} + 1$	=	0	\| $- 1$
$- 3 e^{- 3 x}$	=	$- 1$	\|: $- 3$
$e^{- 3 x}$	=	$\frac{1}{3}$	\|ln(⋅)
$- 3 x$	=	$\ln (\frac{1}{3})$	\|: $- 3$
$x$	=	$- \frac{1}{3} \ln (\frac{1}{3})$	≈ 0.3662

Wir haben somit bei x=0.37 einen Punkt mit waagrechter Tangente.

Diese Eigenschaften überprüfen wir nun bei den 4 vorgeschlagenen Termen:

Schaubild 1

y-Achsenabschnitt: f(0) = $- e^{- 3 \cdot 0} - 0 + 1$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₁ = $- \infty$
- Für x → +∞ strebt f₁ = $- \infty$

Damit können wir f₁ ausschließen.

Schaubild 2

y-Achsenabschnitt: f(0) = $10 \cdot 0^{2} \cdot e^{0}$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₂ = 0
- Für x → +∞ strebt f₂ = $\infty$

Damit können wir f₂ ausschließen.

Schaubild 3

y-Achsenabschnitt: f(0) = $- 0 \cdot e^{- 0}$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₃ = $\infty$
- Für x → +∞ strebt f₃ = 0

Damit können wir f₃ ausschließen.

Schaubild 4

y-Achsenabschnitt: f(0) = $e^{- 3 \cdot 0} + 0 - 1$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₄ = $\infty$
- Für x → +∞ strebt f₄ = $\infty$
Punkte mit waagrechter Tangente:
Wir erkennen einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x ≈ 0.37.

Hier spricht also nichts dagegen, dass f₄ der zugehörige Funktionsterm sein könnte.

e-Funktion Term zu Graph finden

Beispiel:

Gegeben ist der Graph einer Funktion f

Einer der vier gegebenen Funktionsterme gehört zu f.

Entscheide, welcher der vier Terme dies ist. Suche hierbei jeweils bei den drei anderen Termen einen Beweis, dass es sich nicht um den Term von f handeln kann.

f₁(x) = $6 e^{- 0,5 x} - 6 e^{- x}$
f₂(x) = $2 e^{- 3 x} + x - 2$
f₃(x) = $5 (x + 1) \cdot e^{x}$
f₄(x) = $- 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$
f₅(x) = $2 (x + 1) \cdot e^{- x}$
f₆(x) = $- 2 (x + 1) \cdot e^{- x}$

Lösung einblenden

Wir betrachten zuerst den gegeben Graph und entdecken dabei:

Der Graph hat eine Nullstelle bei x = -1
Man kann dabei sogar erkennen, dass hier die x-Achse nur berührt wird, also dass kein Vorzeichenwechsel in f vorliegt, und dass der Graph bei x = -1 auch eine waagrechte Tangente hat.
Für x → -∞ strebt f(x) gegen 0
Für x → +∞ strebt f(x) gegen $- \infty$
Außerdem kann man einen Tiefpunkt bei x = -3 erkennen.

Diese Eigenschaften überprüfen wir nun bei den 6 vorgeschlagenen Termen:

f₁(x) = $6 e^{- 0,5 x} - 6 e^{- x}$

f(-1) = $6 e^{- 0,5 \cdot (- 1)} - 6 e^{- (- 1)}$ =-6.4173633465535

Damit können wir f₁ ausschließen.

f₂(x) = $2 e^{- 3 x} + x - 2$

f(-1) = $2 e^{- 3 \cdot (- 1)} - 1 - 2$ =37.171073846375

Damit können wir f₂ ausschließen.

f₃(x) = $5 (x + 1) \cdot e^{x}$

f(-1) = $5 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- 1}$ =0
Man kann aber am Term erkennen, dass bei x = -1 ein Vorzeichenwechsel vorliegt, bzw. dass die Tangente nicht waagrecht ist.
f'(x) = $5 \cdot (1 + 0) \cdot e^{x} + 5 (x + 1) \cdot e^{x}$ = $5 e^{x} + 5 (x + 1) \cdot e^{x}$
f'(-1) = $5 e^{- 1} + 5 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- 1}$ = 1.8393972058572 ≠ 0

Damit können wir f₃ ausschließen.

f₄(x) = $- 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$

f(-1) = $- 9 \cdot {(- 1 + 1)}^{2} \cdot e^{- 1}$ =0
Auch hier haben wir zusätzlich noch eine waagrechte Tangente bei x = -1.
f'(x) = $- 9 \cdot 2 (x + 1) \cdot (1 + 0) \cdot e^{x} - 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$ = $- 18 (x + 1) \cdot e^{x} - 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$
f'(-1) = $- 18 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- 1} - 9 \cdot {(- 1 + 1)}^{2} \cdot e^{- 1}$ = 0
Für x → -∞ strebt f₄ = $- 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$ gegen " $- 9 \infty \cdot 0$ " = 0
( Der Exponentialterm im zweiten Faktor wächst sehr viel schneller gegen 0 als der erste Faktor gegen $\infty$ und setzt sich deswegen durch)
Für x → +∞ strebt f₄ = $- 9 {(x + 1)}^{2} \cdot e^{x}$ gegen " $- 9 \infty \cdot \infty$ " = $- \infty$

Hier spricht also nichts dagegen, dass f₄ der zugehörige Funktionsterm sein könnte.

f₅(x) = $2 (x + 1) \cdot e^{- x}$

f(-1) = $2 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- (- 1)}$ =0
Man kann aber am Term erkennen, dass bei x = -1 ein Vorzeichenwechsel vorliegt, bzw. dass die Tangente nicht waagrecht ist.
f'(x) = $2 \cdot (1 + 0) \cdot e^{- x} + 2 (x + 1) \cdot e^{- x} \cdot (- 1)$ = $2 e^{- x} - 2 (x + 1) \cdot e^{- x}$
f'(-1) = $2 e^{- (- 1)} - 2 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- (- 1)}$ = 5.4365636569181 ≠ 0

Damit können wir f₅ ausschließen.

f₆(x) = $- 2 (x + 1) \cdot e^{- x}$

f(-1) = $- 2 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- (- 1)}$ =0
Man kann aber am Term erkennen, dass bei x = -1 ein Vorzeichenwechsel vorliegt, bzw. dass die Tangente nicht waagrecht ist.
f'(x) = $- 2 \cdot (1 + 0) \cdot e^{- x} - 2 (x + 1) \cdot e^{- x} \cdot (- 1)$ = $- 2 e^{- x} + 2 (x + 1) \cdot e^{- x}$
f'(-1) = $- 2 e^{- (- 1)} + 2 \cdot (- 1 + 1) \cdot e^{- (- 1)}$ = -5.4365636569181 ≠ 0

Damit können wir f₆ ausschließen.

Anwendungen e-Funktion

Beispiel:

Eine neue trendy App wird veröffentlicht. Dabei kann die tägliche Downloadzahl (in K) näherungsweise für t ≥ 0 durch die Funktion f mit $f(t) =$ $40 t^{2} \cdot e^{- t}$ beschrieben werden; f(t) in Tausend Downloads, t in Tagen nach Beobachtungsbeginn bzw. Veröffentlichung.

Wie viele Downloads (in Tausend) werden am Tag 2 heruntergeladen?.
Wann nimmt die tägliche Downloadzahl am stärksten zu?
Gegen welchen Wert entwickeln sich die Downloadzahlen auf lange Sicht?

Lösung einblenden

y-Wert bei t = 2
Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=2. Wir berechnen also einfach f(2) = $40 \cdot 2^{2} \cdot e^{- 2}$ = $160 e^{- 2}$ ≈ 21.7

t-Wert beim stärksten Zuwachs

Gesucht ist der t-Wert des Hochpunkt der Ableitung.

Dazu berechnen wir erstmal die Ableitungsfunktion f':

f'(t)= $40 \cdot 2 x \cdot e^{- x} + 40 x^{2} \cdot e^{- x} \cdot (- 1)$

= $40 \cdot e^{- x} (- x^{2} + 2 x)$

Wir berechnen also die Extremstellen von f':

Detail-Rechnung für den Hochpunkt der Ableitung ( $0,5858$ |18.45) einblenden

$f'(t) =$ $40 \cdot e^{- t} (- t^{2} + 2 t)$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=> $f''(t) =$ $40 e^{- t} \cdot (- 1) \cdot (- t^{2} + 2 t) + 40 \cdot e^{- t} \cdot (- 2 t + 2)$

= $e^{- t} \cdot (- 80 t + 80 + (40 t^{2} - 80 t))$

= $(40 t^{2} - 160 t + 80) e^{- t}$

$f'''(t) =$ $(80 t - 160 + 0) \cdot e^{- t} + (40 t^{2} - 160 t + 80) \cdot e^{- t} \cdot (- 1)$

= $e^{- t} \cdot (80 t - 160 - 40 t^{2} + 160 t - 80)$

= $(- 40 t^{2} + 240 t - 240) e^{- t}$

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f''(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f''(t) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f' zu bestimmen.

(40 t^{2} - 160 t + 80) \cdot e^{- t}

=

0

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

1. Fall:

40 t^{2} - 160 t + 80

= 0 |:40

$t^{2} - 4 t + 2$ = 0

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

t_1,2 = $\frac{+ 4 \pm \sqrt{{(- 4)}^{2} - 4 \cdot 1 \cdot 2}}{2 \cdot 1}$

t_1,2 = $\frac{+ 4 \pm \sqrt{16 - 8}}{2}$

t_1,2 = $\frac{+ 4 \pm \sqrt{8}}{2}$

t₁ = $\frac{4 + \sqrt{8}}{2}$ ≈ 3.41

t₂ = $\frac{4 - \sqrt{8}}{2}$ ≈ 0.59

2. Fall:

e^{- t}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Die Lösungen $\frac{4 - \sqrt{8}}{2}$ , $\frac{4 + \sqrt{8}}{2}$ sind nun die einzigen Kandidaten für Extremstellen.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f'''(t):

Ist f'''(t) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f'''(t₀)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f''(t₀)>0).

1.: t= $0,5858$

f'''( $0,5858$ ) = $e^{- 0,5858} \cdot (80 \cdot 0,5858 - 160 - 40 \cdot {0,5858}^{2} + 160 \cdot 0,5858 - 80)$ = $e^{- 0,5858} \cdot (46,864 - 160 - 40 \cdot 0,3432 + 93,728 - 80)$ = $- 113,1345 e^{- 0,5858}$ <0

Das heißt bei t = $0,5858$ ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f'(t) eingesetzt werden.
f'( $0,5858$ ) = $40 \cdot e^{- 0,5858} \cdot (- {0,5858}^{2} + 2 \cdot 0,5858)$ = $33,1375 e^{- 0,5858}$ ≈ 18.446
Man erhält so den Hochpunkt H:( $0,5858$ | $33,1375 e^{- 0,5858}$ )

≈ H:(0.586|18.446)

2.: t= $3,4142$

f'''( $3,4142$ ) = $e^{- 3,4142} \cdot (80 \cdot 3,4142 - 160 - 40 \cdot {3,4142}^{2} + 160 \cdot 3,4142 - 80)$ = $e^{- 3,4142} \cdot (273,136 - 160 - 40 \cdot 11,6568 + 546,272 - 80)$ = $113,1375 e^{- 3,4142}$ >0

Das heißt bei t = $3,4142$ ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f'(t) eingesetzt werden.
f'( $3,4142$ ) = $40 \cdot e^{- 3,4142} \cdot (- {3,4142}^{2} + 2 \cdot 3,4142)$ = $- 193,1345 e^{- 3,4142}$ ≈ -6.355
Man erhält so den Tiefpunkt T:( $3,4142$ | $- 193,1345 e^{- 3,4142}$ )

≈ T:(3.414|-6.355)

Randwertuntersuchung

Da ja ein maximaler Wert, also ein globales Maximum gesucht wird, müssen wir noch untersuchen, ob vielleicht an den Rändern noch höhere Werte als beim lokalen Maximum auftreten.

Dazu setzen wir am linken Rand einfach die linke Grenze des Definitionsbereichs in die Funktion ein: f'(0) = $40 \cdot e^{- 0} \cdot (- 0^{2} + 2 \cdot 0)$ = 0. Am rechten Rand müssen wir das Verhalten für t → ∞ betrachten: Für t → ∞ ⇒ f'(t) → 0.

Weil die Werte an den Rändern kleiner als am Hochpunkt sind, ist das lokale Maximum also ein globales Maximum von f'.

Bei t = $0,5858$ ist also der größte Wert der Ableitungsfunktion.

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)= $40 t^{2} \cdot e^{- t}$ → $40 \infty \cdot 0$
Der Exponentialterm im zweiten Faktor wächst sehr viel schneller gegen 0 als der erste Faktor gegen $\infty$ und setzt sich deswegen durch

Das langfristige Verhalten der Funktionswerte geht also gegen 0.

Ableiten e-Funktion mit Parameter

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f_{t} (x) =$ $- 3 x^{2} \cdot e^{- t x}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- 3 x^{2} \cdot e^{- t x}$

$f'(x) =$ $- 6 x \cdot e^{- t x} - 3 x^{2} \cdot e^{- t x} \cdot (- t)$

= $- 6 x \cdot e^{- t x} - 3 x^{2} \cdot (- t e^{- t x})$

= $- 6 x \cdot e^{- t x} + 3 t x^{2} \cdot e^{- t x}$

= $e^{- t x} \cdot (- 6 x + 3 t x^{2})$

= $e^{- t x} \cdot (3 t x^{2} - 6 x)$

= $(3 t x^{2} - 6 x) \cdot e^{- t x}$

Parameter finden mit f(x0)=y0 (e-Fktn)

Beispiel:

Für welches t liegt der Punkt A( $0$ | $2$ ) auf dem Graph der Funktion f mit $f_{t} (x) =$ $\frac{1}{2} x \cdot e^{2 t x} + 2 t$ ?

Lösung einblenden

Wir machen einfach eine Punktprobe mit A( $0$ | $2$ ) in f mit $f(x) =$ $\frac{1}{2} x \cdot e^{2 t x} + 2 t$ :

$2$ = f( $0$ )

$2$ = $\frac{1}{2} \cdot (0) \cdot e^{2 t \cdot (0)} + 2 t$

$2$ = $\frac{1}{2} \cdot (0) \cdot e^{0} + 2 t$

$2$ = $\frac{1}{2} \cdot (0) \cdot 1 + 2 t$

$2$ = $0 + 2 t$

Jetzt müssen wir also nur noch die Gleichung $2 t$ = $2$ nach t auflösen.

$2 t$	=	$2$	\|: $2$
$t$	=	$1$

Für t= $1$ liegt also der Punkt A auf dem Graph von f.

Parameter finden mit Ableitungswert (e-Fktn)

Beispiel:

Für welche t ist die Tangente von f mit $f_{t} (x) =$ $(2 x + 3) \cdot e^{t x}$ im Punkt B( $0$ |f( $0$ )) parallel zur Gerade y= $5 x - 7$ ?
Gib alle Möglichkeiten für t an.

Lösung einblenden

Um die Tangentensteigung zu bestimmen, leiten wir die Funktion erst einmal ab:

$f(x) =$ $(2 x + 3) \cdot e^{t x}$

$f'(x) =$ $(2 + 0) \cdot e^{t x} + (2 x + 3) \cdot e^{t x} \cdot t$

= $2 e^{t x} + (2 x + 3) \cdot t e^{t x}$

= $2 e^{t x} + t (2 x + 3) \cdot e^{t x}$

= $e^{t x} \cdot (2 t x + 3 t + 2)$

= $(2 t x + 3 t + 2) \cdot e^{t x}$

In diese Ableitung setzen wir x= $0$ ein:

f'( $0$ ) = $2 e^{t \cdot 0} + t \cdot (2 \cdot 0 + 3) \cdot e^{t \cdot 0}$ = $2 + 3 t$ = $3 t + 2$

Damit die Tangente parallel zur Geraden y= $5$ x-7 wird, müssen die Steigungen gleich sein,
also f'( $0$ )= $3 t + 2$ soll gleich $5$ sein.
Dazu lösen wir die Gleichung $3 t + 2$ = $5$ nach t auf.

$3 t + 2$	=	$5$	\| $- 2$
$3 t$	=	$3$	\|: $3$
$t$	=	$1$

Für t= $1$ ist also die Tangente parallel zu der gegebenen Gerade.

Parameter mit Graph bestimmen

Beispiel:

Gegeben ist die Funktionenschar $f_{k} (x) =$ $5 k e^{k x + 5 k} + 1$ . Die Abbildung rechts zeigt den Graph von f_k für ein bestimmtes k. Bestimme dieses k.

Lösung einblenden

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

Die einzigen Möglichkeiten 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 $5 k e^{k x + 5 k}$ niemals = 0 werden.
Wenn der Exponent $k x + 5 k$ jedoch betragsmäßig sehr große und negative Werte annimmt, strebt der Exponentianterm $5 k e^{k x + 5 k}$ recht schnell gegen 0. Das lässt sich auch gut in der waagrechten Assymtote bei $1$ 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 + 5 k

= 0 bekommen, um einen präzise ablebaren Punkt auf dem Graph zu bekommen.

$k x + 5 k$	=	0	\| - ( $5 k$ )
$k x$	=	$- 5 k$	\|:( $k$ )
$x$	=	$- 5$

Wenn wir nun

- 5

in f_k einsetzen erhalten wir folgende Gleichung:
f_k(

- 5

) =

5 k e^{k \cdot (- 5) + 5 k} + 1

=

5 k + 1

im abgebildeten Term können wir aber ja f(

- 5

) = -1 ablesen, es gilt somit:

$5 k + 1$	=	$- 1$	\| $- 1$
$5 k$	=	$- 2$	\|: $5$
$k$	=	$- \frac{2}{5}$ = -0.4

Der abgebildete Graph ist somit der von f_{$- \frac{2}{5}$}

Parameter für stärkste Steigung

Beispiel:

Auf dem Biberacher Skaterplatz soll eine neue abgerundete Funbox (kleiner Hügel) gebaut werden. Der Querschnitt des Entwurfs kann durch die Funktion f_t mit f_t(x)= $t e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$ mit t>0 beschrieben werden. Die tatsächliche Form der Funbox kann durch verschiedene Werte von t variiert werden. Dabei muss aber aus Sicherheitsgründen gewährleistet sein, dass an der steilsten Stelle der Steigungswinkel nie mehr als 30° beträgt. Bestimme den zulässigen Bereich für t.

Lösung einblenden

Um aus dem maximalen Steignungswinkel die maximale Steigung zu berechnen, beutzen wir die Formel für den Steigungswinkel:
m = tan(α), also hier m_max=tan(30°) ≈ 0.577.

Um die steilste Stelle zu finden, brauchen wir die Extrempunkte der Ableitungsfunktion, also die Wendepunkte von f_t .

$f(x) =$ $t e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

$f'(x) =$ $t e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} \cdot (- \frac{4}{9} t^{2} x)$

= $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} x$

= $- \frac{4}{9} t^{3} x e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

$f''(x) =$ $- \frac{4}{9} t^{3} e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} \cdot (- \frac{4}{9} t^{2} x) \cdot x - \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} \cdot 1$

= $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} \cdot (- \frac{4}{9} t^{2} x \cdot x) - \frac{4}{9} t^{3} e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

= $\frac{16}{81} t^{5} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} x \cdot x - \frac{4}{9} t^{3} e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

= $\frac{16}{81} t^{5} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3} e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

= $e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} \cdot (\frac{16}{81} t^{5} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3})$

= $(\frac{16}{81} t^{5} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3}) \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$

Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

$e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} (\frac{16}{81} t^{5} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3})$	=	0
$(\frac{16}{81} t^{5} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3}) \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}$	=	0

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

1. Fall:

$\frac{16}{81} t^{5} x^{2} - \frac{4}{9} t^{3}$	=	0	\| - ( $- \frac{4}{9} t^{3}$ )
$\frac{16}{81} t^{5} x^{2}$	=	$\frac{4}{9} t^{3}$	\|⋅ $\frac{81}{16} \cdot \frac{1}{t^{5}}$
$x^{2}$	=	$\frac{9}{4} \cdot \frac{1}{t^{2}}$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₁	=	$- \sqrt{(\frac{9}{4} \cdot \frac{1}{t^{2}})}$	= $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$
x₂	=	$\sqrt{(\frac{9}{4} \cdot \frac{1}{t^{2}})}$	= $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$

2. Fall:

e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Die Lösungen $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ , $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ sind nun die einzigen Kandidaten für Wendestellen.

Wenn man die beiden Lösungen $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ und $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ in die erste Ableitung einsetzt, erhält man:
f_t'( $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ ) = $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} {(- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t})}^{2}} \cdot (- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t})$ = $\frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$
f_t'( $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ ) = $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} {(\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t})}^{2}} \cdot (\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t})$ = $- \frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$

An den Rändern gilt:
Für x → -∞ strebt f_t'(x) = $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} x$ → 0 für alle t
Für x → +∞ strebt f_t'(x) = $- \frac{4}{9} t^{3} \cdot e^{- \frac{2}{9} t^{2} x^{2}} x$ → 0 für alle t

Da die stetige Funktion f_t' an den Rändern gegen 0 strebt und an den Stellen $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ und $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ waagrechte Tangenten hat, müssen dort Extremstellen, und sogar ein absolutes Maximum und ein absolutes Minimum sein.

Die maximale Steigung ist somit f_t'( $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ ) = $\frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$
Die minimale Steigung ist somit f_t'( $\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ ) = $- \frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$

Aufgrund der Symmetrie, genügt es im weiteren nur auf die maximale Steigung m_max = $\frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$ ≈ $\frac{2}{3} t^{2} \cdot 0,607$ zu schauen .
Diese darf ja wegen des maximalen Steigungswinkel von 30° höchstens 0.577 sein, also berechnen wir das t für das $\frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$ = 0.577 gilt:

$\frac{2}{3} t^{2} \cdot 0,607$	=	$0,577$
$\frac{1,214}{3} t^{2}$	=	$0,577$	\|⋅ $\frac{3}{1,214}$
$t^{2}$	=	$1,42586$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
t₁	=	$- \sqrt{1,42586}$	≈ $- 1,194$
t₂	=	$\sqrt{1,42586}$	≈ $1,194$

Für t = 1.194 wird also gerade der maximale Steigungswinkel von 30° erreicht. (Es sind ja nur positive Werte für t zugelassen.)

Und weil ja die maximale Steigung m_max = f_t'( $- \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{t}$ ) = $\frac{2}{3} t^{2} e^{- \frac{1}{2}}$ mit wachsendem t immer größer wird, sind somit alle t < 1.194 zulässig.

Nullstellen bei ln-Funktionen

Beispiel:

Bestimme die Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $\ln (x) + 9$

Lösung einblenden

$\ln (x) + 9$	=	0	\| $- 9$
$\ln (x)$	=	$- 9$	\|e^(⋅)

x

=

\frac{1}{e^{9}}

L={ $\frac{1}{e^{9}}$ }

Parameter finden für Anzahl Nullstellen

Beispiel:

Bestimme diejenigen Werte von t, für die f_t mit f_t(x)= $(t x^{2} - 8 x + t) \cdot e^{- x}$ keine Nullstelle hat.

Lösung einblenden

Für die Nullstellen muss gelten: f_t(x)=0, also hier :
$(t x^{2} - 8 x + t) \cdot e^{- x}$ = 0

Da $e^{- x}$ niemals = 0 werden kann, genügt es die Nullstllen von $t x^{2} - 8 x + t$ zu bestimmen:

Wir lösen diese Gleichung einfach, in dem wir die Koeffizienten in die Mitternachtsformel einsetzen:

x_1,2 = $\frac{+ 8 \pm \sqrt{{(- 8)}^{2} - 4 \cdot t \cdot t}}{2 (t)}$ = $\frac{+ 8 \pm \sqrt{64 - 4 t^{2}}}{2 t}$

An der Diskriminante $64 - 4 t^{2}$ , also dem Term unter der Wurzel erkennen wir die Anzahl der Lösungen.
Hierfür untersuchen wir die t-Werte, für die die Diskriminante = 0 wird:

$64 - 4 t^{2}$	=	0
$- 4 t^{2} + 64$	=	0	\| $- 64$
$- 4 t^{2}$	=	$- 64$	\|: $(- 4)$
$t^{2}$	=	$16$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
t₁	=	$- \sqrt{16}$	= $- 4$
t₂	=	$\sqrt{16}$	= $4$

Jetzt können wir drei Fälle unterscheiden:

Für t < $- 4$ oder t > $4$ hat f_t keine Nullstelle, weil dort $64 - 4 t^{2}$ < 0 ist, also ein negativer Wert unter der Wurzel der Mitternachtsformel steht und somit die quadratische Gleichung $t x^{2} - 8 x + t$ keine reele Lösung hat.
(z.B. bei t = -5 ist die Diskriminante $64 - 4 \cdot {(- 5)}^{2}$ = $- 36$ und bei t = 5 ist die Diskriminante $64 - 4 \cdot 5^{2}$ = $- 36$ )
Für t = $- 4$ oder t = $4$ hat f_t genau eine Nullstelle, weil dort ja die Diskriminante $64 - 4 t^{2}$ = 0 ist und somit die beiden Lösungen (eine mit + und eine mit -) zusammenfallen.
Für $- 4$ < t < $4$ hat f_t genau zwei Nullstellen, weil dort $64 - 4 t^{2}$ > 0 ist und somit die die quadratische Gleichung $t x^{2} - 8 x + t$ je eine Lösung mit der positven Wurzel und eine mit der negativen Wurzel hat.
(z.B. bei t=0 ist die Diskriminante $64 - 4 \cdot 0^{2}$ = $64$ )

Der gesuchte Bereich mit "keine Nullstelle" ist somit: t < $- 4$ oder t > $4$

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Eigenschaften von e-Funktionen

Symmetrie e-Funktionen

e-Funktion Graph zu Term finden

Diese Eigenschaften überprüfen wir nun bei den 4 vorgeschlagenen Termen:

e-Funktion Term zu Graph finden

Diese Eigenschaften überprüfen wir nun bei den 6 vorgeschlagenen Termen:

Anwendungen e-Funktion

1.: t=0,5858

2.: t=3,4142

Randwertuntersuchung

Ableiten e-Funktion mit Parameter

Parameter finden mit f(x0)=y0 (e-Fktn)

Parameter finden mit Ableitungswert (e-Fktn)

Parameter mit Graph bestimmen

Parameter für stärkste Steigung

Nullstellen bei ln-Funktionen

Parameter finden für Anzahl Nullstellen

1.: t= $0,5858$

2.: t= $3,4142$