Mathebattle EduRandomtasks

Symmetrie e-Funktionen

Beispiel:

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

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

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

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

Wir können dies ja auch anhand eines Gegenbeispiels nachweisen:

f(1) = $1^{2} \cdot e^{1 + 2}$ = $1 \cdot e^{3}$ ≈ 20.086
Aber: f(-1) = ${(- 1)}^{2} \cdot e^{- 1 + 2}$ = $1 \cdot e$ ≈ 2.718

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

Somit liegt bei f keine Symmetrie zum KoSy vor.

Term aus Graph bestimmen

Beispiel:

Bestimme den Funktionsterm $c \cdot a^{x}$ der Exponentialfunktion f deren Graph im Schaubild abgebildetet ist.

Tipp: Betrachte dazu den Graph an den Stellen x=0 und x=1.

Lösung einblenden

Der Graph schneidet die y-Achse im Punkt (0| $1$ ), also gilt f(0)= $1$ .

In den allgemeinen Funktionsterm $f(x) =$ $c \cdot a^{x}$ eingesezt bedeutet das: $1$ = $c \cdot a^{0}$ = c ⋅ 1.

Dadurch wissen wir nun schon: c = $1$ , also $f(x) =$ $a^{x}$ .

Außerdem können wir den Punkt (1| $2$ ) auf dem Graphen ablesen, also git f(1) = $2$ .

In unseren Funktionsterm $f(x) =$ $a^{x}$ eingesezt bedeutet das: $2$ = $a$ = $a$ .

Es gilt also: $2$ = $a$

Somit ist der Funtionsterm: $f(x) =$ $2^{x}$

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Beispiel:

Die Funktion f mit $f(x) =$ $- 4 e^{0,3 x - 0,3}$ ist auf ihrer maximalen Definitionsmenge umkehrbar.

Bestimme die maximale Definitionsmenge und die Wertemenge von f sowie einen Term für die Umkehrfunktion $\bar{f}$ .

Lösung einblenden

Maximale Definitionsmenge von f

Bei einer Exponentialfunktion kann man alle Werte für x einsetzen. (e⁰=1; e^-c= $\frac{1}{e^{c}}$ )

Für die maximale Definitionsmenge gilt somit: D = ℝ

Wertemenge von f

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

Wir wissen, dass $e^{0,3 x - 0,3}$ 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 den negativen Koeffizienten $- 4$ vor $e^{0,3 x - 0,3}$ wird $e^{0,3 x - 0,3}$ an der x-Achse gespiegelt. Dadurch liegen bei $- 4 e^{0,3 x - 0,3}$ die Funktionswerte zwischen -∞ und 0.

Somit ist der Wertebereich von f: W = {y ∈ ℝ | y < 0}

Umkehrfunktion

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

$- 4 e^{0,3 x - 0,3}$	=	$y$	\|: $- 4$
$e^{0,3 x - 0,3}$	=	$- \frac{1}{4} y$	\|ln(⋅)
$0,3 x - 0,3$	=	$\ln (- \frac{1}{4} y)$

$0,3 x - 0,3$	=	$\ln (- \frac{1}{4} y)$	\| $+ 0,3$
$0,3 x$	=	$\ln (- \frac{1}{4} y) + 0,3$	\|: $0,3$
$x$	=	$\frac{1}{0,3} \ln (- \frac{1}{4} y) + \frac{0,3}{0,3}$

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 = $\frac{1}{0,3} \ln (- \frac{1}{4} x) + \frac{0,3}{0,3}$

und erhalten so die Umkehrfunktion $\bar{f}$ (x) = $\frac{1}{0,3} \ln (- \frac{1}{4} x) + \frac{0,3}{0,3}$

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

Beispiel:

In einem Land halbiert sich die Anzahl einer bestimmten Insektenart alle 8,3 Jahre. Zu Beginn der Beobachtung wurden 13 Millionen dieser Insekten geschätzt.Bestimme den Funktionsterm der Exponentialfunktion, die die Anzahl in Milionen der Insekten in Millionen nach t Jahren angibt.

Lösung einblenden

Von der allgemeinen Exponentialfunktion $f(t) =$ $c \cdot a^{t}$ können wir den Anfangswert c = 13 direkt der Aufgabe entnehmen.

Um nun noch den Wachstumsfaktor a zu bestimmen, nutzen wir die Formel für die Halbwertszeit: T_H = log_a( $\frac{1}{2}$ ).

Also 8.3 = log_a( $\frac{1}{2}$ ). Nach der Definition des Logarithmus ist dies gleichbedeutend mit

$a^{8,3}$	=	$\frac{1}{2}$	\| $\sqrt[8,3]{\cdot}$
a₁	=	$- {(\frac{1}{2})}^{\frac{1}{8,3}}$	≈ $- 0,92$
a₂	=	${(\frac{1}{2})}^{\frac{1}{8,3}}$	≈ $0,92$

Das gesuchte a ist somit $0,92$ ≈ 0.92, der gesuchte Funktionsterm $f(t) =$ $13 \cdot {0,92}^{t}$

c und a gegeben

Beispiel:

Ein Staat verliert jedes Jahr 1,4% seiner Bevölkerung. Zu Beobachtungsbeginn hat das Land 60 Millionen Einwohner. a) Wie viel Millionen Einwohner hat der Staat noch nach 5 Jahren? b) Wann hat das Land nur noch 54,4 Millionen Einwohner?

Lösung einblenden

Da es sich hier um exponentielles Wachstum handelt, muss der Funktionsterm von der Form $f(t) =$ $c \cdot a^{t}$ sein.

Den Anfangswert f(0)=c=60 kann man direkt aus der Aufgabe heraus lesen.

Die prozentuale Abnahme um 1.4% bedeutet ja, dass mit jedem Zeitschritt vom alten Bestand noch 1.4% weggehen,
also B_neu = B - $\frac{1.4}{100}$ ⋅B = (1 - $\frac{1.4}{100}$ ) ⋅ B = 0,986 ⋅ B. Somit ist das a=0,986.

Damit ergibt sich der Funktionsterm $f(t) =$ $60 \cdot {0,986}^{t}$ .

zu a)

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

f(5) = $60 \cdot {0,986}^{5}$ ≈ 55,916.

zu b)

Hier wird gefragt, wann der Bestand = 54.4 Millionen Einwohner ist, also f(t) = 54.4:

$60 \cdot {0,986}^{t}$	=	$54,4$	\|: $60$
${0,986}^{t}$	=	$0,9067$	\|lg(⋅)
$\lg ({0,986}^{t})$	=	$\lg (0,9067)$
$t \cdot \lg (0,986)$	=	$\lg (0,9067)$	\|: $\lg (0,986)$
$t$	=	$\frac{\lg (0,9067)}{\lg (0,986)}$

t

=

6,9469

Nach ca. 6,947 Jahre ist also der Bestand = 54.4 Millionen Einwohner.

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Symmetrie e-Funktionen

Term aus Graph bestimmen

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Maximale Definitionsmenge von f

Wertemenge von f

Umkehrfunktion

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

c und a gegeben