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Eigenschaften von e-Funktionen

Beispiel:

Welche Eigenschaften hat die Funktion f mit f(x)= $e^{- (x + 1)} + 3$ .

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

Da bei $e^{- (x + 1)} + 3$ das x von $e^{x}$ durch ein -x ersetzt wurde, wird der Graph von $e^{- (x + 1)} + 3$ gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion an der y-Achse gespiegelt.

Da bei $e^{- (x + 1)} + 3$ zu jedem Funktionswert von $e^{x}$ noch 3 addiert wird, ist der Graph von $e^{- (x + 1)} + 3$ gegenüber dem der natürlichen Exponentialfunktion, um 3 nach oben verschoben.

Da bei $e^{- (x + 1)} + 3$ das x von $e^{x}$ durch ein 'x+1' ersetzt wurde, wird der Graph der natürlichen Exponentialfunktion um -1 in x-Richtung verschoben .

Daraus ergeben sich folgende Aussagen:

Alle Funktionswerte bleiben also >0, der Graph verläuft somit komplett über der x-Achse.
Die Funktionswerte werden also immer kleiner, die Funktion ist also streng monoton fallend.
Für x → ∞ strebt $e^{- (x + 1)} + 3$ gegen $0 + 3$ = $3$ .
Für x → - ∞ strebt $e^{- (x + 1)} + 3$ gegen $\infty$ .

Symmetrie e-Funktionen

Beispiel:

Entscheide welche Symmetrie bei der Funktion f mit $f(x) =$ $x \cdot 3 e^{2 x}$ vorliegt.

Lösung einblenden

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

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

Wenn man das mit f(x) = $x \cdot 3 e^{2 x}$ = $3 x \cdot e^{2 x}$ vergleicht, kann man erkennen, dass f(-x) = $- 3 x \cdot e^{- 2 x}$
weder gleich f(x) = $x \cdot 3 e^{2 x}$ noch gleich -f(x) = $- x \cdot 3 e^{2 x}$ = $- 3 x \cdot e^{2 x}$ ist.

Wir können dies ja auch anhand eines Gegenbeispiels nachweisen:

f(1) = $1 \cdot 3 e^{2 \cdot 1}$ = $1 \cdot 3 e^{2}$ ≈ 22.167
Aber: f(-1) = $- 1 \cdot 3 e^{2 \cdot (- 1)}$ = $- 1 \cdot 3 e^{- 2}$ ≈ -0.406

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) = $9 \cdot 0^{2} \cdot e^{- 0}$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₁ = $\infty$
- Für x → +∞ strebt f₁ = 0

Damit können wir f₁ ausschließen.

Schaubild 2

y-Achsenabschnitt: f(0) = $- e^{- 3 \cdot 0} - 0 + 1$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₂ = $- \infty$
- Für x → +∞ strebt f₂ = $- \infty$
Punkte mit waagrechter Tangente:
Wir erkennen einen Punkt mit waagrechter Tangente bei x ≈ 0.37.

Hier spricht also nichts dagegen, dass f₂ der zugehörige Funktionsterm sein könnte.

Schaubild 3

y-Achsenabschnitt: f(0) = $2 \cdot 0 \cdot e^{0}$ = 0
Grenzverhalten
- Für x → -∞ strebt f₃ = 0
- Für x → +∞ strebt f₃ = $\infty$

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 = $\infty$

Damit können wir f₄ ausschließen.

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) = $3 e^{- 2 x} + x - 3$
f₂(x) = $- 3 e^{- 2 x} - x + 3$
f₃(x) = $- 7 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{- x}$
f₄(x) = $- 9 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{x}$
f₅(x) = $- (x - 2) \cdot e^{x}$
f₆(x) = $8 e^{- 0,5 x} - 8 e^{- x}$

Lösung einblenden

Wir betrachten zuerst den gegeben Graph und entdecken dabei:

Der Graph hat eine Nullstelle bei x = 2
Für x → -∞ strebt f(x) gegen 0
Für x → +∞ strebt f(x) gegen $- \infty$
Außerdem kann man einen Hochpunkt bei x = 1 erkennen.

Diese Eigenschaften überprüfen wir nun bei den 6 vorgeschlagenen Termen:

f₁(x) = $3 e^{- 2 x} + x - 3$

f(2) = $3 e^{- 2 \cdot 2} + 2 - 3$ =-0.9450530833338

Damit können wir f₁ ausschließen.

f₂(x) = $- 3 e^{- 2 x} - x + 3$

f(2) = $- 3 e^{- 2 \cdot 2} - 2 + 3$ =0.9450530833338

Damit können wir f₂ ausschließen.

f₃(x) = $- 7 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{- x}$

f(2) = $- 7 \cdot {(2 - 2)}^{2} \cdot e^{- 2}$ =0
Allerdings haben wir hier zusätzlich noch eine waagrechte Tangente bei x = 2, was nicht mit dem gegebenen Graph übereinstimmt.
f'(x) = $- 7 \cdot 2 (x - 2) \cdot (1 + 0) \cdot e^{- x} - 7 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{- x} \cdot (- 1)$ = $- 14 (x - 2) \cdot e^{- x} + 7 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{- x}$
f'(2) = $- 14 \cdot (2 - 2) \cdot e^{- 2} + 7 \cdot {(2 - 2)}^{2} \cdot e^{- 2}$ = 0

Damit können wir f₃ ausschließen.

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

f(2) = $- 9 \cdot {(2 - 2)}^{2} \cdot e^{2}$ =0
Allerdings haben wir hier zusätzlich noch eine waagrechte Tangente bei x = 2, was nicht mit dem gegebenen Graph übereinstimmt.
f'(x) = $- 9 \cdot 2 (x - 2) \cdot (1 + 0) \cdot e^{x} - 9 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{x}$ = $- 18 (x - 2) \cdot e^{x} - 9 {(x - 2)}^{2} \cdot e^{x}$
f'(2) = $- 18 \cdot (2 - 2) \cdot e^{2} - 9 \cdot {(2 - 2)}^{2} \cdot e^{2}$ = 0

Damit können wir f₄ ausschließen.

f₅(x) = $- (x - 2) \cdot e^{x}$

f(2) = $- (2 - 2) \cdot e^{2}$ =0
Für x → -∞ strebt f₅ = $- (x - 2) \cdot e^{x}$ gegen " $- - \infty \cdot 0$ " = 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 f₅ = $- (x - 2) \cdot e^{x}$ gegen " $- \infty \cdot \infty$ " = $- \infty$

Wenn wir nach Punkten auf dem Graph mit waagrechter Tangente schauen, müssen wir
f'(x) =

- (1 + 0) \cdot e^{x} - (x - 2) \cdot e^{x}

=

- e^{x} - (x - 2) \cdot e^{x}

=

- e^{x} \cdot (x - 1)

= 0
nach x auflösen.

$- e^{x} (x - 1)$	=	0
$- (x - 1) \cdot e^{x}$	=	0

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

1. Fall:

$x - 1$	=	0	\| $+ 1$
x₁	=	$1$

2. Fall:

e^{x}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Der Graph von f₅(x) =

- (x - 2) \cdot e^{x}

hat also bei x = 1 einen Punkt mit waagrechter Tangente.

Hier spricht also nichts dagegen, dass f₅ der zugehörige Funktionsterm sein könnte.

f₆(x) = $8 e^{- 0,5 x} - 8 e^{- x}$

f(2) = $8 e^{- 0,5 \cdot 2} - 8 e^{- 2}$ =1.8603532634786

Damit können wir f₆ ausschließen.

Anwendungen e-Funktion

Beispiel:

In einen Wassertank kann Wasser rein- und rausfließen. Die Änderungsrate des Wasservolumens im Tank kann an einem bestimmten Tag näherungsweise durch die Funktion f mit $f(t) =$ $20 e^{- 0,9 t} - 20 e^{- 1,8 t}$ beschrieben werden ( t ≥ 0 in min nach Beobachtungsbeginn, f(t) in m³/min). Zu Beginn sind 40 m³ Wasser im Tank.

Wie hoch ist die Änderungsrate des Wasservolumens 5 Minuten nach Beobachtungsbeginn.
Nach wie vielen Minuten ist die Änderungsrate des Wasservolumens am größten?
Nach wie vielen Sekunden erreicht die Änderungsrate des Wasservolumens erstmals $\frac{319}{80}$ m³/min?

Lösung einblenden

y-Wert bei t = 5
Gesucht ist der Funktionswert zur Zeit t=5. Wir berechnen also einfach f(5) = $20 e^{- 0,9 \cdot 5} - 20 e^{- 1,8 \cdot 5}$ = $20 e^{- 4,5} - 20 e^{- 9}$ ≈ 0.2

t-Wert des Maximums (HP)

Gesucht ist der t-Wert des Hochpunkt. Wir berechnen also die Extremstellen von f:

Detail-Rechnung für den Hochpunkt ( $0,7702$ |5) einblenden

$f(t) =$ $20 e^{- 0,9 t} - 20 e^{- 1,8 t}$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=> $f'(t) =$ $20 e^{- 0,9 t} \cdot (- 0,9) - 20 e^{- 1,8 t} \cdot (- 1,8)$

= $e^{- 1,8 t} \cdot (36 - 18 e^{0,9 t})$

= $(- 18 e^{0,9 t} + 36) e^{- 1,8 t}$

$f''(t) =$ $(- 18 e^{0,9 t} \cdot 0,9 + 0) \cdot e^{- 1,8 t} + (- 18 e^{0,9 t} + 36) \cdot e^{- 1,8 t} \cdot (- 1,8)$

= $e^{- 1,8 t} \cdot (32,4 e^{0,9 t} - 64,8 - 16,2 e^{0,9 t})$

= $(16,2 e^{0,9 t} - 64,8) e^{- 1,8 t}$

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.

(- 18 e^{0,9 t} + 36) \cdot e^{- 1,8 t}

=

0

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

1. Fall:

$- 18 e^{0,9 t} + 36$	=	0	\| $- 36$
$- 18 e^{0,9 t}$	=	$- 36$	\|: $- 18$
$e^{0,9 t}$	=	$2$	\|ln(⋅)
$0,9 t$	=	$\ln (2)$	\|: $0,9$
t₁	=	$\frac{1}{0,9} \ln (2)$	≈ 0.7702

2. Fall:

e^{- 1,8 t}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Die Lösung t= $\frac{1}{0,9} \ln (2)$ ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

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).

f''( $0,7702$ ) = $e^{- 1,8 \cdot 0,7702} \cdot (32,4 e^{0,9 \cdot 0,7702} - 64,8 - 16,2 e^{0,9 \cdot 0,7702})$ = $e^{- 1,38636} \cdot (16,2 e^{0,69318} - 64,8)$ = $e^{- 1,38636} \cdot (16,2 e^{0,69318} - 64,8)$ <0

Das heißt bei t = $0,7702$ ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f(t) eingesetzt werden.
f( $0,7702$ ) = $20 e^{- 0,9 \cdot 0,7702} - 20 e^{- 1,8 \cdot 0,7702}$ = $20 e^{- 0,69318} - 20 e^{- 1,38636}$ ≈ 5
Man erhält so den Hochpunkt H:( $0,7702$ | $20 e^{- 0,69318} - 20 e^{- 1,38636}$ )

≈ H:(0.77|5)

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) = $20 e^{- 0,9 \cdot 0} - 20 e^{- 1,8 \cdot 0}$ = 0. Am rechten Rand müssen wir das Verhalten für t → ∞ betrachten: Für t → ∞ ⇒ f(t) → $0 + 0$ .

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

Bei t = $0,7702$ ist also der größte Wert der Funktion.

Erster t-Wert bei y = $\frac{319}{80}$

Gesucht sind die Zeitpunkte, an denen die Funktion die Werte y= $\frac{319}{80}$ annimmt.

Dazu setzen wir die Funktion einfach = $\frac{319}{80}$ und lösen nach t auf:

20 e^{- 0,9 t} - 20 e^{- 1,8 t}

=

\frac{319}{80}

|

- \frac{319}{80}

20 e^{- 0,9 t} - 20 e^{- 1,8 t} - \frac{319}{80}

= 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

$20 e^{- 0,9 t} - 20 e^{- 1,8 t} - \frac{319}{80}$	=	0	\|⋅ $e^{1,8 x}$
$- \frac{319}{80} e^{1,8 t} + 20 e^{0,9 t} - 20$	=	0

Setze u = $e^{0,9 x}$

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

$- \frac{319}{80} u^{2} + 20 u - 20$	=	0	\|⋅ 80
$80 (- \frac{319}{80} u^{2} + 20 u - 20)$	=	0

$- 319 u^{2} + 1 600 u - 1 600$ = 0

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

u_1,2 = $\frac{- 1 600 \pm \sqrt{{1 600}^{2} - 4 \cdot (- 319) \cdot (- 1 600)}}{2 \cdot (- 319)}$

u_1,2 = $\frac{- 1 600 \pm \sqrt{2 560 000 - 2 041 600}}{- 638}$

u_1,2 = $\frac{- 1 600 \pm \sqrt{518 400}}{- 638}$

u₁ = $\frac{- 1 600 + \sqrt{518 400}}{- 638}$ = $\frac{- 1 600+720}{- 638}$ = $\frac{- 880}{- 638}$ = $\frac{40}{29}$ ≈ 1.38

u₂ = $\frac{- 1 600 - \sqrt{518 400}}{- 638}$ = $\frac{- 1 600-720}{- 638}$ = $\frac{- 2 320}{- 638}$ = $\frac{40}{11}$ ≈ 3.64

Rücksubstitution:

u₁: $e^{0,9 x}$ = $\frac{40}{29}$

$e^{0,9 x}$	=	$\frac{40}{29}$	\|ln(⋅)
$0,9 x$	=	$\ln (\frac{40}{29})$	\|: $0,9$
x₁	=	$\frac{1}{0,9} \ln (\frac{40}{29})$	≈ 0.3573

u₂: $e^{0,9 x}$ = $\frac{40}{11}$

$e^{0,9 x}$	=	$\frac{40}{11}$	\|ln(⋅)
$0,9 x$	=	$\ln (\frac{40}{11})$	\|: $0,9$
x₂	=	$\frac{1}{0,9} \ln (\frac{40}{11})$	≈ 1.4344

Der erste Zeitpunkt an dem die die Funktion den Wert $\frac{319}{80}$ annimmt, ist also nach 0.36 min.

Ableiten e-Funktion mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

= $12 t^{2} \cdot e^{- 2 t^{2} x^{2} + 2 t^{2}} x$

= $12 t^{2} x e^{- 2 t^{2} x^{2} + 2 t^{2}}$

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

Beispiel:

Für welches t liegt der Punkt A( $0$ | $4$ ) auf dem Graph der Funktion f mit $f_{t} (x) =$ $t e^{x} + 1$ ?

Lösung einblenden

Wir machen einfach eine Punktprobe mit A( $0$ | $4$ ) in f mit $f(x) =$ $t e^{x} + 1$ :

$4$ = f( $0$ )

$4$ = $t e^{0} + 1$

$4$ = $t + 1$

Jetzt müssen wir also nur noch die Gleichung $t + 1$ = $4$ nach t auflösen.

$t + 1$	=	$4$	\| $- 1$
$t$	=	$3$

Für t= $3$ 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 $f_{t} (x) =$ $(x + 5) \cdot e^{t x}$ im Punkt B( $0$ |f( $0$ )) parallel zur Gerade y= $6 x - 3$ ?
Gib alle Möglichkeiten für t an.

Lösung einblenden

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

$f(x) =$ $(x + 5) \cdot e^{t x}$

$f'(x) =$ $(1 + 0) \cdot e^{t x} + (x + 5) \cdot e^{t x} \cdot t$

= $e^{t x} + (x + 5) \cdot t e^{t x}$

= $e^{t x} + t (x + 5) \cdot e^{t x}$

= $e^{t x} \cdot (t x + 5 t + 1)$

= $(t x + 5 t + 1) \cdot e^{t x}$

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

f'( $0$ ) = $e^{t \cdot 0} + t \cdot (0 + 5) \cdot e^{t \cdot 0}$ = $1 + 5 t$ = $5 t + 1$

Damit die Tangente parallel zur Geraden y= $6$ x-3 wird, müssen die Steigungen gleich sein,
also f'( $0$ )= $5 t + 1$ soll gleich $6$ sein.
Dazu lösen wir die Gleichung $5 t + 1$ = $6$ nach t auf.

$5 t + 1$	=	$6$	\| $- 1$
$5 t$	=	$5$	\|: $5$
$t$	=	$1$

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

Parameter mit Graph bestimmen

Beispiel:

Gegeben ist die Funktionenschar $f_{k} (x) =$ $k x \cdot e^{k x + k} + 4 k$ . 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.

Man kann schnell erkennen, dass für x = 0 der Exponentialterm

k x \cdot e^{k x + k}

= 0 wird.
Am abgebildeten Graph kann man den y-Achsenabschnitt S_y(0|-2) gut erkennen. Es gilt folglich.
f_k(

0

) =

k \cdot 0 \cdot e^{k \cdot 0 + k} + 4 k

=

4 k

= -2

$4 k$	=	$- 2$	\|: $4$
$k$	=	$- \frac{1}{2}$ = -0.5

Der abgebildete Graph ist somit der von f_{$- \frac{1}{2}$}

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)= $3 t^{2} e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$ 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 20° 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(20°) ≈ 0.364.

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

$f(x) =$ $3 t^{2} e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} x$

= $- 12 x e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

$f''(x) =$ $- 12 e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} \cdot (- 4 \cdot \frac{1}{t^{2}} x) \cdot x - 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} \cdot 1$

= $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} \cdot (- 4 \cdot \frac{1}{t^{2}} x \cdot x) - 12 e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

= $48 \cdot \frac{1}{t^{2}} \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} x \cdot x - 12 e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

= $48 \cdot \frac{1}{t^{2}} \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} x^{2} - 12 e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

= $e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} \cdot (48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2} - 12)$

= $(48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2} - 12) \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$

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.

$e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} (48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2} - 12)$	=	0
$(48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2} - 12) \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}$	=	0

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

1. Fall:

$48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2} - 12$	=	0	\| $+ 12$
$48 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}$	=	$12$	\|: $48 \cdot \frac{1}{t^{2}}$
$x^{2}$	=	$\frac{1}{4} t^{2}$	\| $\sqrt[2]{\cdot}$
x₁	=	$- \sqrt{(\frac{1}{4} t^{2})}$	= $- \frac{1}{2} t$
x₂	=	$\sqrt{(\frac{1}{4} t^{2})}$	= $\frac{1}{2} t$

2. Fall:

e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}}

=

0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

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

Wenn man die beiden Lösungen $- \frac{1}{2} t$ und $\frac{1}{2} t$ in die erste Ableitung einsetzt, erhält man:
f_t'( $- \frac{1}{2} t$ ) = $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} {(- \frac{1}{2} t)}^{2}} \cdot (- \frac{1}{2} t)$ = $6 t e^{- \frac{1}{2}}$
f_t'( $\frac{1}{2} t$ ) = $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} {(\frac{1}{2} t)}^{2}} \cdot (\frac{1}{2} t)$ = $- 6 t e^{- \frac{1}{2}}$

An den Rändern gilt:
Für x → -∞ strebt f_t'(x) = $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} x$ → 0 für alle t
Für x → +∞ strebt f_t'(x) = $- 12 \cdot e^{- 2 \cdot \frac{1}{t^{2}} x^{2}} x$ → 0 für alle t

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

Die maximale Steigung ist somit f_t'( $- \frac{1}{2} t$ ) = $6 t e^{- \frac{1}{2}}$
Die minimale Steigung ist somit f_t'( $\frac{1}{2} t$ ) = $- 6 t e^{- \frac{1}{2}}$

Aufgrund der Symmetrie, genügt es im weiteren nur auf die maximale Steigung m_max = $6 t e^{- \frac{1}{2}}$ ≈ $6 t \cdot 0,607$ zu schauen .
Diese darf ja wegen des maximalen Steigungswinkel von 20° höchstens 0.364 sein, also berechnen wir das t für das $6 t e^{- \frac{1}{2}}$ = 0.364 gilt:

$6 t \cdot 0,607$	=	$0,364$
$3,642 t$	=	$0,364$	\|: $3,642$
$t$	=	$0,0999$

Für t = 0.1 wird also gerade der maximale Steigungswinkel von 20° erreicht.

Und weil ja die maximale Steigung m_max = f_t'( $- \frac{1}{2} t$ ) = $6 t e^{- \frac{1}{2}}$ mit wachsendem t immer größer wird, sind somit alle t < 0.1 zulässig.

Nullstellen bei ln-Funktionen

Beispiel:

Bestimme die Nullstellen der Funktion f mit $f(x) =$ $\ln (x) + 10$

Lösung einblenden

$\ln (x) + 10$	=	0	\| $- 10$
$\ln (x)$	=	$- 10$	\|e^(⋅)

x

=

\frac{1}{e^{10}}

L={ $\frac{1}{e^{10}}$ }

Parameter finden für Anzahl Nullstellen

Beispiel:

Bestimme diejenigen Werte von t, für die f_t mit f_t(x)= $x^{4} - t x^{3} - t x^{2}$ genau drei Nullstellen hat.

Lösung einblenden

Für die Nullstellen muss gelten: f_t(x)=0, also hier :
$x^{4} - t x^{3} - t x^{2}$ = 0

$x^{2} \cdot (x^{2} - t x - t)$ = 0

1. Fall : $x^{2}$ = 0
also x₁ = 0

2. Fall : $x^{2} - t x - t$ = 0

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

x_2,3 = $\frac{+ 1 t \pm \sqrt{{(- 1 t)}^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- t)}}{2 \cdot 1}$ = $\frac{+ 1 t \pm \sqrt{t^{2} + 4 t}}{2}$

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

$t^{2} + 4 t$	=	0
$t (t + 4)$	=	0

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

1. Fall:

t₁

=

0

2. Fall:

$t + 4$	=	0	\| $- 4$
t₂	=	$- 4$

Da ja x₁ = 0 unabhängig von t immer eine Nullstelle von f_t ist, können wir jetzt drei Fälle unterscheiden:

Für $- 4$ < t < 0 hat f_t genau eine Nullstelle, weil dort $t^{2} + 4 t$ < 0 ist, also ein negativer Wert unter der Wurzel der Mitternachtsformel steht und somit die quadratische Gleichung $x^{2} - t x - t$ keine reele Lösung hat.
(z.B. bei t=-2 ist die Diskriminante ${(- 2)}^{2} + 4 \cdot (- 2)$ = $- 4$ )
Für t = $- 4$ oder t =0 hat f_t genau zwei Nullstellen, weil dort ja die Diskriminante $t^{2} + 4 t$ = 0 ist und somit die beiden Lösungen (eine mit + und eine mit -) zusammenfallen.
Für t < $- 4$ oder t > 0 hat f_t genau drei Nullstellen, weil dort $t^{2} + 4 t$ > 0 ist und somit die die quadratische Gleichung $x^{2} - t x - t$ je eine Lösung mit der positven Wurzel und eine mit der negativen Wurzel hat.
(z.B. bei t = -5 ist die Diskriminante ${(- 5)}^{2} + 4 \cdot (- 5)$ = $5$ und bei t = 1 ist die Diskriminante $1^{2} + 4 \cdot 1$ = $5$ )

Der gesuchte Bereich mit "genau drei Nullstellen" ist somit: t < $- 4$ oder t > 0

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

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