Aufgabe 1B
Gegeben ist die auf R definierte Funktionenschar fa mit fa(x)=x(x−a)(x−2a),a=0
Geben Sie die Nullstellen des Graphen von f3 an.
Berechnen Sie die Koordinaten des Hochpunktes des Graphen von f3. (5 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion mit Parameter
Nullstellen bestimmen
Ein Produkt ist genau dann 0, wenn einer der Faktoren gleich 0 ist. Also gilt:
Damit sind die Nullstellen: x1=0,x2=3,x3=6
Funktion umformen
Um fa(x) leichter abzuleiten multiplizieren wir alle Klammern aus:
x(x−3)(x−6) = x(x2−3x−6x+18) = x(x2−9x+18) = x3−9x2+18x Ableitungen bilden
Mittels der Potenz- und Summenregel erhalten wir die ersten beiden Ableitungen:
Hochpunkt berechnen
Alle Extremstellen sind auch Nullstellen der ersten Ableitung. Wir lösen also:
Um dies zu lösen wenden wir die Mitternachtsformel mit a=3, b=−18 und c=18 an und erhalten:
x1,2 = 2⋅318±182−4⋅3⋅18 ↓ Quadrate und Produkte ausrechnen
= 618±324−216 ↓ Die Summe auftrennen und kürzen
= 3±6108 ↓ Die 108 faktorisieren
= 3±63⋅36 ↓ Die 36 aus der Wurzel ziehen und kürzen
= 3±3 Wir setzen nun x1,2 in f3′′ ein. Ist das Ergebnis negativ, so haben wir einen Hochpunkt gefunden:
f3′′(x1,2) = 6(3±3)−18 = 18±63−18 = ±63<!0 Da 63>0 ist, ist der einzige Hochpunkt bei xH=3−3. Nun rechnen wir noch die y-Koordinate des Hochpunkts aus:
f3(xH) = xH(xH−3)(xH−6) ↓ Einsetzen und Summen ausrechnen
= (3−3)(−3)(−3−3) ↓ 3. Binomische Formel auf die 1. und 3. Klammer anwenden
= −3(−9+3) ↓ Summe ausrechnen
= 63 Also ist der Hochpunkt von f3 bei (3−3∣63).
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Bestimme die Nullstellen von fa(x) ohne eine lange Rechnung
Forme fa(x) in die normale Form eines Polynoms um
Bilde die ersten zwei Ableitungen von fa(x)
Berechne die Koordinaten des Hochpunkts
Bestimmen Sie den Wert von a,a=3, für den der zugehörige Graph von fa im Intervall [−1;0] dieselbe durchschnittliche Steigung hat wie der Graph von f3. (5 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Differenzenquotient
Erste Steigung
Um die durchschnittliche Steigung von fa im Intervall [−1;0] zu finden, nutzen wir den Differenzenquotienten und erhalten:
ma = 0−(−1)fa(0)−fa(−1) ↓ Teilen durch 1 weglassen
= fa(0)−fa(−1) ↓ 0 ist eine Nullstelle von fa
= −fa(−1) ↓ Formel einsetzen
= −(−1)(−1−a)(−1−2a) ↓ Aus allen Klammer ein Minus ausklammern
= (1+a)(1+2a) ↓ Ausmultiplizieren.
= 1+2a+a+2a2 ↓ Zusammenfassen
= 2a2+3a+1 Zweite Steigung
Um die durchschnittliche Steigung von f3 zu berechnen, setzen wir in die generelle Formel a=3 ein:
Gleichsetzen
Wir setzen nun die beiden Steigung gleich und lösen nach a:
m3 = ma 28 = 2a2+3a+1 −28 0 = 2a2+3a−27 Um dies nach a zu lösen, nutzen wir die Mitternachtsformel:
a1,2 = 2⋅2−3±32−4⋅2⋅(−27) ↓ Potenzen und Produkte ausrechnen
= 4−3±9+216 ↓ Summe ausrechnen
= 4−3±225 ↓ Wurzel ausrechnen
= 4−3±15 Also ist a1=412=3, was ein guter Konsistenzcheck ist. Damit ist der gesuchte Parameter: a2=−418=−4,5.
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Berechne die durchschnittliche Steigung von fa(x) mit dem Differenzenquotienten
Berechne damit die durchschnittliche Steigung von f3(x)
Setze die beiden Steigungen gleich und löse nach a
Begründen Sie, dass für jeden Wert von a die Graphen zu fa und f−a im Koordinatenursprung dieselbe Tangente haben. (3 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Tangente an Graph
Ableitung
Wir formen zuerst fa um, damit wir die Ableitung leichter bilden können. Dazu multiplizieren wir alle Klammern aus:
Dann berechnen wir die Ableitung mit der Summen- und Potenzregel:
Parallelität
Die Steigung der Tangente zu fa bei x=0 ist fa′(0). Dies können wir einfach ausrechnen: ma=fa′(0)=2a2. Analog ist die Steigung der Tangente zu f−a durch f−a′(0) gegeben:
Also haben beide Tangenten die gleiche Steigung, sind also parallel.
Identisch
Da x=0 eine Nullstelle von fa und von f−a ist, gilt fa(0)=0=f−a(0). Da die Tangenten zu f±a bei x=0 jeweils durch f±a(0) laufen, gehen beide durch den Punkt (0∣0). Insbesondere schneiden sich also beide Tangenten. Da sie außerdem parallel sind, müssen sie identisch sein.
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Zeigen Sie, dass für jeden Wert von a der Graph zu fa durch eine Spiegelung am Punkt (0∣0) auf den Graphen von f−a abgebildet wird. (4 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Symmetrie von Graphen
Spiegelung um den Ursprung
Bei einer Spiegelung um den Ursprung wird ein beliebiger Punk (a∣b) auf den Punkt (−a∣−b) gespiegelt.
Anwendung auf den Graphen
Ein Punkt auf dem Graphen von fa hat die Form (x∣fa(x)). Wenn wir diesen um den Ursprung spiegeln, erhalten wir also den Punkt (−x∣−fa(x)). Dies ist aber auch der Graph der Funktion −fa(−x). Weiter gilt:
−fa(−x) = −(−x)(−x−a)(−x−2a) ↓ Aus jeder Klammer ein Minus ausklammern
= x(x+a)(x+2a) ↓ Wir brauchen ein Minus in der Klammer, daher ersetzen wir Plus mit einem doppelten Minus
= x(x−(−a))(x−(−2a)) ↓ Dies ist genau die Form unserer Funktionenschar
= f−a(x) Also wird der Graph von fa durch eine Spiegelung um den Ursprung auf den Graphen von f−a abgebildet.
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Überlege dir, was bei der Spiegelung um (0∣0) mit einem Punkt passiert
Wende dies auf die Punkte des Graphs von fa an
Betrachtet wird die Tangente an den Graphen von fa im Wendepunkt (a∣0).
Berechnen Sie die Werte von a, für die diese Tangente mit den Koordinatenachsen ein gleichschenkliges Dreieck einschließt. (4 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Dreieck
Beschreibung des Dreiecks
Da zwei der Seiten des Dreiecks auf den Koordinatenachsen liegen, ist es insbesondere ein rechtwinkliges Dreieck.
Da in einem gleichschenkligen Dreieck die zwei Basiswinkel gleich groß sein müssen, folgt mit der Innenwinkelsumme, dass die Basiswinkel 45 Grad groß sein müssen.
Steigung folgern
Wir wissen nun, dass die Tangente in einem Winkel von 45 Grad zu den Koordinatenachsen liegt. Die einzigen möglichen Steigungen sind damit m=±1.
Parameter finden
Wir berechnen nun zuerst die Steigungen der Tangenten zu fa bei x=a. Diese ist durch die Ableitung fa′(a) gegeben. Also gilt:
Wir wissen bereits, dass das Dreieck nur bei den Steigungen m1,2=±1 gleichschenklig ist. Also setzen wir gleich und lösen nach a:
Da Quadrate nicht negativ werden, kann der Fall m=1 nicht erreicht werden und wir lösen:
Also ist das gebildete Dreieck für a=±1 gleichschenklig.
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Überlege dir, wie dieses Dreieck aussieht
Folgere, welche Steigung die Tangenten haben muss
Löse nach dem Parameter a auf
Berechnen Sie die Werte von a, sodass die Fläche zwischen dem zugehörigen Graphen von fa und der x-Achse im Intervall [0;2] den Inhalt 1 hat. (8 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Flächenberechnung mit Integralen
Stammfunktion berechnen
Da wir im Laufe der Aufgabe das Integral von fa mehrfach ausrechnen müssen, berechnen wir die Stammfunktion einmal und wenden sie dann wiederholt an.
Zuerst multiplizieren wir fa aus und erhalten fa=x3−3ax2+2a2x. Dann ist die Stammfunktion nach der Summen- und Potenzregel:
Intervall auftrennen
Um die Fläche auszurechnen, müssen wir zuerst untersuchen, ob die Funktion im Intervall ]0;2[ einen Vorzeichenwechsel hat. Da eine Funktion nur in Nullstellen ihr Vorzeichen wechseln kann, untersuchen wir die Nullstellen von fa.
Diese sind bei x1=0,x2=a,x3=2a.
Die verschiedenen Fälle sind also:
a≤0: Keine der Nullstellen liegt in ]0;2[
0<a<1: Die Nullstellen a und 2a liegen in ]0;2[
1≤a<2: Nur die Nullstelle a liegt in ]0;2[
2≤a: Keine der Nullstellen liegen in ]0;2[
Da die anderen Fälle nicht leicht abzuschätzen sind, berechnen wir diese direkt.
Integrale berechnen
0<a<1:
In diesem Fall trennen wir das Intervall zu ]0;a[∪]a;2a[∪]2a;2[ auf. Dementsprechend müssen wir drei Integrale ausrechnen:
Also ist die Fläche im Fall 0<a<1:
A0<a<1 = A1+A2+A3 ↓ Die Flächen müssen positiv sein
= ∣I1∣+∣I2∣+∣I3∣ ↓ Einsetzen
= 41a4+41a4+4(a−1)2 ↓ Zusammenfassen und die 2. Binomische Formel anwenden
= 21a4+4(a2−2a+1) ↓ Ausmultiplizieren
= 21a4+4a2−8a+4 1≤a<2:
Wir trennen das Intervall zu ]0;a[∩]a,2[ auf.
Um nun die Fläche auszurechnen, müssen wir überprüfen, ob die Integrale positiv oder negativ sind. Das erste Integral ist offensichtlich nicht-negativ, da a4 nicht-negativ ist. Das zweite Integral ist etwas komplizierter. Wir berechnen zuerst den Wert des Integrals für a=1:
Da wir unsere Intervalle so gewählt haben, dass die Funktion auf ihnen konstant negativ oder positiv ist, muss also I2′<0 für das gesamte Intervall, also 1≤a<2, gelten. Also ist:
A = A1′+A2′ ↓ Die Flächen müssen positiv sein
= ∣I1′∣+∣I2′∣ ↓ Einsetzen der Integrale, wobei das zweite Integral invertiert werden muss
= 41a4+41a4−4a2+8a−4 ↓ Zusammenfassen
= 21a4−4a2+8a−4 Lösen nach a
Wir setzen nun die Formeln der Fläche gleich 1 und lösen nach a. Da wir Polynome vom Grad 4 nicht per Hand lösen können, lassen wir den Taschenrechner für uns rechnen. Nutze dazu den Befehl "
nSolve
".Im ersten Fall liefert das: a1≈0,508 und a2≈1,158.
Da wir im ersten Fall aber 0<a<1 haben, ist der gesuchte Wert a1≈0,51.
Im zweiten Fall liefert der Rechner: a1≈−3,629 und a2≈1,267. Da wir hier 1≤a<2 haben, ist der gesuchte Wert a2≈1,27.
Also sind die Werte für a, sodass die Fläche zwischen fa und der x-Achse im Intervall [0;2] die Größe 1 hat: a1≈0,51 und a2≈1,27.
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Berechne die Stammfunktion von fa
Überlege dir, wann du das Intervall auftrennen musst
Schätze ab, welche Integrale du tatsächlich ausrechnen musst
Berechne die nötigen Integrale
Lösen nach a
Berechnen Sie die Koordinaten der Tiefpunkte der Graphen von fa. (4 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Extremwertaufgabe
Ableitungen bilden
Wir multiplizieren die Funktion aus und berechnen die Ableitungen mit der Summen- und Potenzregel:
Extremstellen finden
Extremstellen sind immer Nullstellen der ersten Ableitung. Diese Nullstellen finden wir mit der Mitternachtsformel:
Wir setzen die Werte für a,b,c in die Mitternachtsformel ein
↓ x1,2 = 66a±36a2−24a2 ↓ Zusammenfassen und kürzen
= a±612a ↓ 12 in Faktoren aufteilen
= a±64⋅3a ↓ Die 4 aus der Wurzel ziehen
= a±623a ↓ Kürzen und 33=31
= a±31a x1 = a+31a x2 = a−31a Tiefpunkt finden
Bei einem Tiefpunkt ist die zweite Ableitung positiv. Wir setzen also unsere Extremstellen in fa′′(x) ein und testen, ob fa′′ positiv ist.
fa′′(x1) = 6(a+3a)−6a ↓ Ausmultiplizieren
= 6a+36a−6a ↓ Zusammenfassen und kürzen
= 23a Genau gleich erhält man für fa′′(x2)=−23a
Für a<0 ist also x2 die gesuchte Stelle, bei a>0 ist es x1.
Werte ausrechnen
Um die y-Koordinaten auszurechnen, setzen wir x1,2 in die Funktion ein:
fa(x1) = (a+3a)((a+3a)−a)((a+3a)−2a) ↓ Zusammenfassen und a ausklammern.
= a3(31+1)(31)(31−1) ↓ 3. Binomische Formel auf die äußeren Klammern anwenden
= 31a3(31−1) ↓ Zusammenfassen
= −332a3 Für f(x2) ergibt der gleiche Rechenweg fa(x2)=332a3.
Also ist der Tiefpunkt von fa(x) bei TP(a+3a∣−332a3) falls a>0. Für a<0 liegt er bei TP(a−3a∣332a3).
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Berechne die ersten zwei Ableitungen für fa(x).
Finde die Nullstellen der ersten Ableitung.
Untersuche die Art der Extremstelle an diesen Nullstellen mit der zweiten Ableitung.
Finde die y-Koordinate des Tiefpunkts.
Betrachtet wird nun die Funktion f3.
Die Tangente an den Graphen von f3 im Tiefpunkt schließt mit dem Graphen von f3 eine Fläche ein. Außerdem schließt der Graph von f3 mit der x-Achse im Intervall [0;3] eine Fläche ein.
Berechnen Sie das Verhältnis der Inhalte dieser beiden Flächen. (7 BE)
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Flächenberechnung mit Integralen
Tangente finden
In der vorherigen Teilaufgabe haben wir bereits den Tiefpunkt von fa gefunden. Wir müssen also nur a=3 setzen und erhalten:
Da die Stelle des Tiefpunkts eine Nullstelle der ersten Ableitung ist, ist die Steigung der Tangente einfach 0.
Da die Tangente durch den Tiefpunkt gehen muss, ist sie einfach die konstante Funktion: t(x)=−63.
Schnittpunkte finden
Um die Schnittpunkte zu finden, setzen wir die Funktionen gleich:
t(x) = f3(x) ↓ Einsetzen
−63 = x3−9x2+18x +63 ↓ Alles auf eine Seite bringen
0 = x3−9x2+18x+63 ↓ Diese Gleichung kann der TR lösen. Alternativ kann mit der Polynomdivision von Hand weitergerechnet werden:
= (x−(3+3))(x2−(6−3)x+(3−33)) Erste Fläche berechnen
I1 = ∫x2x1f3(x)−t(x)dx = ∫3−233+3x3−9x2+18x+63dx = [41x4−3x3+9x2+63x]3−233+3 ↓ TR
= 4243 Zweite Fläche berechnen
Da die Nullstellen von f3 nicht im Intervall ]0,3[ liegen, müssen wir das Integral nicht auftrennen.
A2 = ∫03f3(x)dx = [41x4−3x3+9x2]03 = 481−3⋅27+9⋅9 = 481 Verhältnis ausrechnen
Das Verhältnis ist:
Also ist die Fläche zwischen f3 und t 3-mal so groß, wie die Fläche unter f3 im Intervall [0,3].
Hast du eine Frage oder Feedback?
Berechne die Tangente von f3 im Tiefpunkt
Berechne die Schnittpunkte von f3 mit der Tangente
Berechne die Fläche zwischen dieser Tangente und dem Graphen von f3
Berechne die Fläche zwischen f3 und der x-Achse im Intervall [0;3]
Berechne das Verhältnis