Teil B: Analysis 2 - lernen mit Serlo!

Aufgabe 1

Gegeben ist die Schar der in $\mathbb{R}$ definierten Funktionen $f_{a}$ mit $f_{a}(x)=\frac{1}{a^{3}} x^{3}-\frac{1}{a} x^{2}+x$ und $a \in \mathbb{R}, a>0$ .

Berechnen Sie die Stellen, an denen der Graph von $f_{4}$ eine Steigung von $-\frac{1}{4}$ hat. (3 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ableitung
Berechne die Stellen, an denen der Graph von $f_{4}$ eine Steigung von $-\frac{1}{4}$ hat
Gegeben ist $f_{a}(x)=\frac{1}{a^{3}} x^{3}-\frac{1}{a} x^{2}+x$ .
$\Rightarrow\; f_{4}(x)=\frac{1}{64} x^{3}-\frac{1}{4} x^{2}+x$
Berechne $f_4'(x)=\dfrac{3}{64}x^2-\dfrac{1}{2}x+1$
Löse die Gleichung $f_4'(x)=-\dfrac{1}{4}\;\Rightarrow\;\dfrac{3}{64}x^2-\dfrac{1}{2}x+1=-\dfrac{1}{4}$
$\Rightarrow\dfrac{3}{64}x^2-\dfrac{1}{2}x+\dfrac{5}{4}=0$
Die Stellen, an denen der Graph von $f_{4}$ eine Steigung von $-\frac{1}{4}$ hat, sind $x = 4$ und $x=\dfrac{20}{3}$ .
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Löse die Gleichung $f'(x)=-\dfrac{1}{4}.$
Bestimmen Sie den Wert von $a$ so, dass der Punkt $(2 ∣ 2)$ auf dem Graphen von $f_{a}$ liegt.
(3 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Funktionswert
Bestimme den Wert von $a$ so, dass der Punkt $(2 ∣ 2)$ auf dem Graphen von $f_{a}$ liegt
Für $a > 0$ soll gelten: $f_{a}(2)=2$ .
$f_{a}(2)=\frac{1}{a^{3}}\cdot 2^{3}-\frac{1}{a}\cdot 2^{2}+2=2\;\Rightarrow\;\frac{1}{a^{3}} \cdot 8-\frac{1}{a} \cdot 4=0\;\Rightarrow\;\dfrac{4}{a}\cdot\left(\dfrac{2}{a^2}-1\right)=0$
(Wegen $a > 0$ entfällt die Lösung $-\sqrt{a}$ .)
Der Punkt $(2 ∣ 2)$ liegt für $a=\sqrt{2}$ auf dem Graphen von $f_{a}$ .
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Löse die Gleichung $f_{a}(2)=2$ nach $a$ auf.
Ermitteln Sie die Koordinaten der gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$ .
Weisen Sie nach, dass es nur einen Punkt gibt, der auf jedem Graphen der Schar liegt.
(2 P+3 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Schnittpunkte zweier Funktionen berechnen
Ermittele die Koordinaten der gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$
$f_{a}(x)=\frac{1}{a^{3}} x^{3}-\frac{1}{a} x^{2}+x$
$\Rightarrow\; f_1(x)= x^{3}- x^{2}+x$ und $f_{2}(x)=\frac{1}{8} x^{3}-\frac{1}{2} x^{2}+x$
Zur Berechnung der gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$ setze $f_{1} = f_{2}$ .
$\Rightarrow\;x^{3}- x^{2}+x=\frac{1}{8} x^{3}-\frac{1}{2} x^{2}+x\;\Rightarrow\;\frac{7}{8}x^3-\frac{1}{2}x^2=0$
Berechne die zu $x = 0$ und $x=\frac{4}{7}$ gehörenden Funktionswerte:
$f_{1} (0) = 0$ und $f_1(\frac{4}{7})=\frac{148}{343}$
Die Punkte $(0 \mid 0)$ und $\left(\frac{4}{7} \left\lvert\, \frac{148}{343}\right.\right) \approx(0{,}57 \mid 0{,}43)$ sind die gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$ .
Weise nach, dass es nur einen Punkt gibt, der auf jedem Graphen der Schar liegt
$f_{a}(0)=0$ gilt unabhängig von $a$ . Wegen $f_{3}\left(\frac{4}{7}\right)\approx0{,}47 \neq f_{1}\left(\frac{4}{7}\right)\approx0{,}43$ liegt ausschließlich der Koordinatenursprung auf allen Graphen der Schar.

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Teil 1
Zur Berechnung der gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$ setze $f_{1} = f_{2}$ .
Vereinfache die Gleichung und löse sie nach $x$ auf. Es gibt zwei Lösungen.
Berechne die zugehörigen Funktionswerte.
Teil 2
$f_{a}(0)=0$ gilt unabhängig von $a$ .
Vergleiche z.B. $f_{3}\left(\frac{4}{7}\right)$ mit $f_{1}\left(\frac{4}{7}\right)$ . Was folgt daraus?
Die Gleichung $f_{a}(x)=0$ hat in Abhängigkeit von $a$ die Lösungen
0 und $\dfrac{a^{2}+\sqrt{a^{3}(a-4)}}{2}$ und $\dfrac{a^{2}-\sqrt{a^{3}(a-4)}}{2}$ , wobei die Lösung $0$ nicht mit den anderen beiden Lösungen zusammenfallen kann.
Geben Sie die Anzahl der Nullstellen von $f_{a}$ in Abhängigkeit von $a$ an und begründen Sie Ihre Angabe anhand der obigen Terme. (4 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Nullstellen berechnen
Gib die Anzahl der Nullstellen von $f_{a}$ in Abhängigkeit von $a$ an und begründe Deine Angabe anhand der obigen Terme
Gegeben sind:
0; $\dfrac{a^{2}+\sqrt{a^{3}(a-4)}}{2}$ ; $\dfrac{a^{2}-\sqrt{a^{3}(a-4)}}{2}$
Für $a > 0$ ist auch $a^{3} > 0$ .
Betrachte den Term $(a - 4)$ :
Wenn $a - 4 < 0$ ist, folgt $0 < a < 4$ und die beiden Terme mit den Wurzeln entfallen als Nullstellen. Es gibt also nur $1$ Nullstelle $x = 0$ .
Wenn $a - 4 = 0$ ist, folgt $a = 4$ und die beiden Terme mit den Wurzeln fallen zusammen. Es gibt $2$ Nullstellen $x = 0$ und $x=\dfrac{a^2}{2}$ .
Wenn $a - 4 > 0$ ist, folgt $a > 4$ und es gibt die $3$ oben angegebenen Nullstellen.
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Für $a > 0$ ist auch $a^{3} > 0$ .
Betrachte den Term $(a - 4)$ und führe eine Fallunterscheidung durch.
Der Graph jeder Funktion $f_{a}$ hat genau einen Wendepunkt.
Bestimmen Sie den Wert von $a$ zu dem Wendepunkt mit der größten y-Koordinate. (5 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Wendepunkte und Terrassenpunkte
Bestimme den Wert von $a$ zu dem Wendepunkt mit der größten y-Koordinate
Bekannt ist, dass der Graph jeder Funktion $f_{a}$ genau einen Wendepunkt hat.
Berechne $f_{a}^{''} (x) = 0$ .
$f'(x)=3\cdot \dfrac{x^2}{a^3}-2\cdot \dfrac{x}{a}+1$
Dann ist $f^{''} (x) = (f^{'} (x))^{'}$ .
Berechnung der zweiten Ableitung und Lösung von $f_{a}^{''} (x) = 0$
Die einzige Wendestelle liegt also bei $x=\frac{a^{2}}{3}$ .
Wendepunkt mit der größten y-Koordinate
Berechne die $y$ -Koordinate $f_{a}\left(\frac{a^{2}}{3}\right)$ des Wendepunktes.
$f_{a}\left(\frac{a^{2}}{3}\right)=-\frac{2}{27}a^3+\frac{1}{3}a^2=f(a)$
Für die Berechnung der maximalen y-Koordinate löse $f^{'} (a) = 0$ .
Wegen $a > 0$ ist $a = 3$ die gesuchte Lösung.
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Berechne $f_{a}^{''} (x) = 0$ . $\;\Rightarrow\;$ Man erhält eine Lösung $x_{1}$ in Abhängigkeit von $a$ .
Berechne $f_{a} (x_{1})$ und löse $f_a'(x_1)=0\;\Rightarrow\;$ liefert wegen $a > 0$ nur eine Lösung.
Im Folgenden gilt $a = 4$ .
Abbildung 1 zeigt beispielhaft den Graphen einer Funktion $f_{a}$ sowie die Gerade $g$ mit der Gleichung $y = x$ , die den Graphen in den Punkten $O(0 \mid 0)$ und $P\left(u_{a} \mid f_{a}\left(u_{a}\right)\right)$ schneidet. Die Gerade $g$ , die $x$ -Achse und die Gerade mit der Gleichung $x=u_{a}$ begrenzen ein rechtwinkliges Dreieck.
Abbildung 1
Die folgenden Schritte stellen die Lösung einer Aufgabe dar:
- $f_{a}(x)=x \Leftrightarrow x=0 \vee x=a^{2}$ .
- $\frac{1}{2} \cdot a^{2} \cdot f_{a}\left(a^{2}\right)=3 \cdot\displaystyle \int_{0}^{a^{2}}\left(x-f_{a}(x)\right) \mathrm{d} x \Leftrightarrow a=2$ .
Erläutern Sie diese Schritte und interpretieren Sie die Lösung $a = 2$ geometrisch. (5 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Flächenberechnung mit Integralen
Erläutere diese Schritte und interpretiere die Lösung $a = 2$ geometrisch
1. Rechenschritt: Zunächst werden die Schnittstellen der Gerade $g$ mit dem Graphen von $f_{a}$ berechnet $\;\Rightarrow\;f_{a}(x)=x \Leftrightarrow x=0 \vee x=a^{2}$
2. Rechenschritt:
Die Lösung $a = 2$ der Gleichung $\frac{1}{2} \cdot a^{2} \cdot f_{a}\left(a^{2}\right)=3 \cdot\displaystyle\int_{0}^{a^{2}}\left(x-f_{a}(x)\right) \mathrm{d} x$ gibt denjenigen Wert von $a$ an, für den das rechtwinklige Dreieck den dreifachen Flächeninhalt besitzt wie das Flächenstück, das von $g$ und dem Graphen von $f_{a}$ eingeschlossen ist.
Die folgende Abbildung ist nicht im Aufgabentext gefordert. Sie dient nur zur Veranschaulichung.
Für $a = 2$ ist der Flächeninhalt des Dreiecks $A_{\triangle}=8\;\text{FE}$ und der Flächeninhalt zwischen der Geraden $g$ mit dem Graphen von $f_{2}$ beträgt $A=\dfrac{8}{3}\;\text{FE}$ , sodass $A_{\triangle}=3\cdot A$ ist $\;\Rightarrow\;8=3\cdot \dfrac{8}{3}\;\checkmark$ .
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Im ersten Rechenschritt werden die Schnittstellen der Gerade $g$ mit dem Graphen von $f_{a}$ berechnet.
Im zweiten Rechenschritt steht auf der linken Gleichungsseite der Flächeninhalt eines rechtwinkligen Dreiecks und auf der rechten Gleichungsseite steht der dreifache Flächeninhalt des Flächenstücks, das von $g$ und dem Graphen von $f_{a}$ eingeschlossen ist.
Die Lösung dieser Gleichung ist $a = 2$ .
Abbildung 2 zeigt den Graphen der Funktion $f_{4}$ .
Abbildung 2
$h$ ist die Funktion, deren Graph durch Spiegelung des Graphen von $f_{4}$ an der $x$ -Achse entsteht.
(i) Skizzieren Sie in Abbildung 2 den Graphen von $h$ sowie die Fläche $A$ , die von $x = 0$ bis $x = 12$ zwischen den Graphen von $f_{4}$ und $h$ liegt. (2 P)
(ii) Berechnen Sie den Inhalt der Fläche $A$ . (3 P)
(iii) Es gibt einen Wert von $c \in \mathbb{R}, c>0$ , für den die Fläche, die im Bereich von $x = c$ bis $x = 8$ zwischen dem Graphen von $f_{4}$ und der $x$ -Achse liegt, den Flächeninhalt $\frac{5}{3}\;\mathrm{FE}$ besitzt.
Geben Sie eine Gleichung an, mit der man diesen Wert von $c$ ermitteln kann. (1 P)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Flächenberechnung mit Integralen
(i) Skizziere in Abbildung 2 den Graphen von $h$ sowie die Fläche $A$ , die von $x = 0$ bis $x = 12$ zwischen den Graphen von $f_{4}$ und $h$ liegt
Abbildung 2 mit Graph h und der eingeschlossenen Fläche
Der Graph von $h$ wurde durch Spiegelung des Graphen von $f_{4}$ an der $x$ -Achse erzeugt.
(ii) Berechne den Inhalt der Fläche $A$
$f_{4}(x)=\frac{1}{64} x^{3}-\frac{1}{4} x^{2}+x$
Der Flächeninhalt wird berechnet mit:
$A=2 \cdot\displaystyle \int_{0}^{12} f_{4}(x)\; \mathrm{d} x=18$
Der Inhalt der eingeschlossenen Fläche beträgt $18\;\mathrm{FE}$ .
(iii) Gib eine Gleichung an, mit der man diesen Wert von $c$ ermitteln kann
Gegeben: Die Fläche, die im Bereich von $x = c$ bis $x = 8$ zwischen dem Graphen von $f_{4}$ und der $x$ -Achse liegt, hat den Flächeninhalt $\frac{5}{3}\;\mathrm{FE}$ .
Die zugehörige Gleichung lautet also:

$\displaystyle \int_{c}^{8} f_{4}(x)\; \mathrm{d} x=\frac{5}{3}$
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Teil (i)
Der Graph von $h$ wird durch Spiegelung des Graphen von $f_{4}$ an der $x$ -Achse erzeugt.
Teil (ii)
Der Flächeninhalt wird berechnet mit $A=2 \cdot\displaystyle \int_{0}^{12} f_{4}(x)\; \mathrm{d} x$
Teil (iii)
Gegeben ist $A=\dfrac{5}{3}$ . Die Fläche berechnet sich mit $A=\int_{c}^{8} f_{4}(x)\; \mathrm{d} x$ .
Erstelle eine Gleichung.

Diese Aufgabe stammt vom Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen → Was bedeutet das?

Aufgabe 1

Berechne die Stellen, an denen der Graph von f4f_{4}f4​ eine Steigung von −14-\frac{1}{4}−41​ hat

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Bestimme den Wert von aaa so, dass der Punkt (2∣2)(2|2)(2∣2) auf dem Graphen von faf_{a}fa​ liegt

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Ermittele die Koordinaten der gemeinsamen Punkte der Graphen von f1f_{1}f1​ und f2f_{2}f2​

Weise nach, dass es nur einen Punkt gibt, der auf jedem Graphen der Schar liegt

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Gib die Anzahl der Nullstellen von faf_{a}fa​ in Abhängigkeit von aaa an und begründe Deine Angabe anhand der obigen Terme

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Bestimme den Wert von aaa zu dem Wendepunkt mit der größten y-Koordinate

Wendepunkt mit der größten y-Koordinate

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Erläutere diese Schritte und interpretiere die Lösung a=2a=2a=2 geometrisch

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(i) Skizziere in Abbildung 2 den Graphen von hhh sowie die Fläche AAA, die von x=0x=0x=0 bis x=12x=12x=12 zwischen den Graphen von f4f_{4}f4​ und hhh liegt

Abbildung 2 mit Graph h und der eingeschlossenen Fläche

(ii) Berechne den Inhalt der Fläche AAA

(iii) Gib eine Gleichung an, mit der man diesen Wert von ccc ermitteln kann

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Berechne die Stellen, an denen der Graph von $f_{4}$ eine Steigung von $-\frac{1}{4}$ hat

Bestimme den Wert von $a$ so, dass der Punkt $(2 ∣ 2)$ auf dem Graphen von $f_{a}$ liegt

Ermittele die Koordinaten der gemeinsamen Punkte der Graphen von $f_{1}$ und $f_{2}$

Gib die Anzahl der Nullstellen von $f_{a}$ in Abhängigkeit von $a$ an und begründe Deine Angabe anhand der obigen Terme

Bestimme den Wert von $a$ zu dem Wendepunkt mit der größten y-Koordinate

Erläutere diese Schritte und interpretiere die Lösung $a = 2$ geometrisch

(i) Skizziere in Abbildung 2 den Graphen von $h$ sowie die Fläche $A$ , die von $x = 0$ bis $x = 12$ zwischen den Graphen von $f_{4}$ und $h$ liegt

(ii) Berechne den Inhalt der Fläche $A$

(iii) Gib eine Gleichung an, mit der man diesen Wert von $c$ ermitteln kann