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Symmetrie e-Funktionen

Beispiel:

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

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

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

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

Wir können dies ja auch anhand eines Gegenbeispiels nachweisen:

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

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

Somit liegt bei f keine Symmetrie zum KoSy vor.

Beide Logarithmusgesetze

Beispiel:

Vereinfache den Term $- \lg (\frac{100}{x^{2}}) + \lg (\frac{20}{x}) + \lg (5 x^{4})$ soweit wie möglich.

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$- \lg (\frac{100}{x^{2}}) + \lg (\frac{20}{x}) + \lg (5 x^{4})$

= $- \lg (100 x^{- 2}) + \lg (20 x^{- 1}) + \lg (5 x^{4})$

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log(a ⋅ b) = log(a) + log(b) umformen zu:

= $- (\lg (100) + \lg (\frac{1}{x^{2}})) + (\lg (20) + \lg (\frac{1}{x})) + (\lg (5) + \lg (x^{4}))$

= $- \lg (100) - \lg (\frac{1}{x^{2}}) + \lg (20) + \lg (\frac{1}{x}) + \lg (5) + \lg (x^{4})$

Jetzt kann man mit dem 2. Logarithmusgesetz log(a^b) = b⋅log(a) umformen zu:

= $- \lg (100) + 2 \lg (x) + \lg (20) - \lg (x) + \lg (5) + 4 \lg (x)$

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log( $\frac{a}{b}$ ) = log(a)- log(b) noch die Brüche im Logarithmus umformen:

= $- \lg (100) + 2 \lg (x) + \lg (20) - \lg (x) + \lg (5) + 4 \lg (x)$

= $5 \lg (x) - \lg (100) + \lg (20) + \lg (5)$

Jetzt kann man mit dem 1. Logarithmusgesetz log(a ⋅ b) = log(a) + log(b) rückwärts umformen zu:

= $5 \lg (x) + \lg (\frac{1}{100} \cdot 20 \cdot 5)$

= $5 \lg (x) + \lg (\frac{1}{5} \cdot 5)$

= $5 \lg (x) + \lg (1)$

= $5 \lg (x)$

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Beispiel:

Die Funktion f mit $f(x) =$ $e^{0,2 x - 0,4} - 1$ ist auf ihrer maximalen Definitionsmenge umkehrbar.

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

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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 $0,2 x - 0,4$ ist eine lineare Funktion (Gerade), die jeden Wert zwischen -∞ und ∞ annehmen kann.

Wir wissen, dass $e^{0,2 x - 0,4}$ 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 -1 hinter dem $e^{0,2 x - 0,4}$ wird zu allen Funktionswerten von $e^{0,2 x - 0,4}$ noch $- 1$ addiert. Dadurch verschiebt sich auch der Wertebereich zu W = {y ∈ ℝ | y > -1}

Umkehrfunktion

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

$e^{0,2 x - 0,4} - 1$	=	$y$	\| $+ 1$
$e^{0,2 x - 0,4}$	=	$y + 1$	\|ln(⋅)
$0,2 x - 0,4$	=	$\ln (y + 1)$

$0,2 x - 0,4$	=	$\ln (y + 1)$	\| $+ 0,4$
$0,2 x$	=	$\ln (y + 1) + 0,4$	\|: $0,2$
$x$	=	$\frac{1}{0,2} \ln (y + 1) + \frac{0,4}{0,2}$

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 = $\frac{1}{0,2} \ln (x + 1) + \frac{0,4}{0,2}$

und erhalten so die Umkehrfunktion $\bar{f}$ (x) = $\frac{1}{0,2} \ln (x + 1) + \frac{0,4}{0,2}$

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht davon aus, dass sie sich innerhalb von 3,3 Stunden verdoppelt. Zu Beobachtungsbeginn umfasste die Kultur 19 Milionen Bakterien. Bestimme den Funktionsterm der Exponentialfunktion, die die Bakterienanzahl in Milionen nach t Stunden angibt.

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Von der allgemeinen Exponentialfunktion $f(t) =$ $c \cdot a^{t}$ können wir den Anfangswert c = 19 direkt der Aufgabe entnehmen.

Um nun noch den Wachstumsfaktor a zu bestimmen, nutzen wir die Formel für die Verdopplungszeit: T_V = log_a(2).

Also 3.3 = log_a(2). Nach der Definition des Logarithmus ist dies gleichbedeutend mit

$a^{3,3}$	=	$2$	\| $\sqrt[3,3]{\cdot}$
$a$	=	$2^{\frac{1}{3,3}}$

Das gesuchte a ist somit $2^{\frac{1}{3,3}}$ ≈ 1.23, der gesuchte Funktionsterm $f(t) =$ $19 \cdot {1,23}^{t}$

c und ein Funktionswert gegeben

Beispiel:

Bei einer Bakterienkultur geht man von exponentiellem Wachstum aus. Zu Beobachtungsbeginn umfasste die Kultur 27 Milionen Bakterien. 12 Stunden nach Beobachtungsbeginn sind es bereits 573,38Millionen Bakterien.a) Wie viel Millionen Bakterien hat die Bakterienkultur nach 4 Stunden? b) Wann umfasst die Kultur 927 Millionen Bakterien?

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=27 kann man direkt aus der Aufgabe heraus lesen.

Somit wissen wir bereits, dass der Funktionsterm $f(t) =$ $27 \cdot a^{t}$ mit einem Wachstumsfaktor a sein muss.

Der Wachstumsfaktor a ist zwar nicht gegeben, wir wissen aber, dass nach 12 Stunden der Bestand 573.38 Millionen Bakterien ist, also f(12) = 573.38. Dies setzen wir in unsern bisherigen Funktionterm $f(t) =$ $27 \cdot a^{t}$ ein:

$27 a^{12}$	=	$573,38$	\|: $27$
$a^{12}$	=	$21,2363$	\| $\sqrt[12]{\cdot}$
a₁	=	$- \sqrt[12]{21,2363}$	= $- 1,29$
a₂	=	$\sqrt[12]{21,2363}$	= $1,29$

Da der Wachstumsfaktor a immer positiv sein muss, ist a= $1,29$ ≈ 1.29 die einzige sinnvolle Lösung.

Damit ergibt sich der Funktionsterm $f(t) =$ $27 \cdot {1,29}^{t}$ .

zu a)

Gesucht ist der Bestand zum Zeitpunkt t=4 Stunden, also f(4):

f(4) = $27 \cdot {1,29}^{4}$ ≈ 74,769.

zu b)

Hier wird gefragt, wann der Bestand = 927 Millionen Bakterien ist, also f(t) = 927:

$27 \cdot {1,29}^{t}$	=	$927$	\|: $27$
${1,29}^{t}$	=	$\frac{103}{3}$	\|lg(⋅)
$\lg ({1,29}^{t})$	=	$\lg (\frac{103}{3})$
$t \cdot \lg (1,29)$	=	$\lg (\frac{103}{3})$	\|: $\lg (1,29)$
$t$	=	$\frac{\lg (\frac{103}{3})}{\lg (1,29)}$

t

=

13,8866

Nach ca. 13,887 Stunden ist also der Bestand = 927 Millionen Bakterien.

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Symmetrie e-Funktionen

Beide Logarithmusgesetze

Umkehrfunktion von e- und ln-Funkt'n

Maximale Definitionsmenge von f

Wertemenge von f

Umkehrfunktion

Exponentialterm mit Halbwertszeit best.

c und ein Funktionswert gegeben