x 1 a) Untersuchen Sie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs. Geben Sie die Gleichungen aller Asymptoten von an.

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1 Grundkurs Infinitesmalrechnung I Gegeben ist die Funktion f : x x mit der Definitionsmenge D = R\{1}. x 1 Ihr Graph wird mit G f bezeichnet. a) Untersuchen Sie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs. Geben Sie die Gleichungen aller Asymptoten von an. b) Bestimmen Sie Lage und Art der Extrempunkte von G f. G f Zur Kontrolle: f '(x) = x2 2x 3 (x 1) 2 c) Berechnen Sie f( 4), f(0), f(2) und f(6). Zeichnen Sie den Graphen G f sowie die Asymptoten im Bereich 4 x 6 unter Verwendung aller bisherigen Ergebnisse. d) Zeigen Sie, dass die Gerade g mit der Gleichung y = 3x + 10 Tangente an G f ist, und geben Sie die Koordinaten des Berührpunktes P an. Teilergebnis: xp = 2 e) G f, die Gerade g aus Teilaufgabe 1.d) und die Gerade x = 3 begrenzen ein endliches Flächenstück vom Inhalt A. Berechnen Sie A Gegeben ist die Funktion v : t 5 (1 e t ) mit t 0 a) Der Graph dieser Funktion soll skizziert werden. Entwickeln Sie den Graphen von v, indem Sie in einem gemeinsamen Koordinatensystem der Reihe nach die Graphen der folgenden Funktionen für t 0 skizzieren: i) t e t ii) t e t iii) t e t + 1 iv) t v(t) b) In einem Versuch wird die Geschwindigkeit eines Körpers im durch Reibung gebremsten freien Fall untersucht. Die Funktion v beschreibt näherungsweise die Maßzahl der Geschwindigkeit des verwendeten Körpers in Abhängigkeit von der Maßzahl der Zeit t. Deuten Sie den Graphen von v in diesem Anwendungsbezug. Gehen Sie insbesondere auf das Verhalten für t ein.

2 Lösung 1. a) lim f(x) = lim x = da lim (x 2) = und lim x x x 1 x x 4 x 1 = 0 lim f(x) = lim x x x x 1 = da lim (x 2) = und lim x x 4 x 1 = 0 lim f(x) = lim x 1 0 x 1 0 x x 1 = da lim x 1 0 (x 2) = 1 und lim x x 1 = lim f(x) = lim x 1+0 x 1+0 x x 1 = da Pol ungerader Ordnung Senkrechte Asymptote: x = 1 4 Wegen lim kommt der Graph von f der Geraden y = x 2 beliebig nahe. x 1 x ± Der Graph von f besitzt die schiefe Asymptote y = x 2 b) f '(x) = (x 1) 4 1 (x 1) 2 = (x 1)2 = 2 (x 1) (x 1) 2 4 (x 1) 2 = x2 2x (x 1) 2 = = x2 2x 3 (x 1) 2 = 0 x 2 2x 3 = 0 x = 1 x = 3 f( 1) = 5 und f(3) = 3 Monotoniebetrachtung: < x < 1 1 < x < 1 1 < x < 3 3 < x < f '(x) E ist ein Hochpunkt und E ist eintiefpunkt des Graphen von f Beachte: Das Monotonieverhalten einer gebrochenrationalen Funktion kann sich an Nullstellen der ersten Ableitung oder an Definitionslücken ändern.

3 c) x f(x) 6, ,8 d) 1. Methode: Man weist nach, dass die Gerade g : y = x 2 nur einen Punkt mit G f gemeinsam hat. Schnittpunktsbedingung: x x 1 = 3x x x 1 = 0 (x 1) (4x 12) (x 1) + 4 = 0 4x 2 16x + 16 = 0 x = 2 Die Gerade g berührt den Graphen im Punkt P Methode Man bestimmt die Stellen, wo die Ableitung von f den Wert 3 hat. f '(x) = x2 2x 3 (x 1) 2 = 3 x 2 2x 3 = 3 (x 1) 2 4x 2 8x = 0 4x (x 2) = 0 x = 0 x = 2 Tangente im Punkt P 2 4 ist y = 3 (x 2) + 4 = 3x + 10

4 und damit ist alles gezeigt. e) A = 3 [(x ) ( 3x + 10)dx = x (4x x 1 )dx = 2 = 2x 2 12x + 4 ln x = ln = 4 ln2 2 Beachte: a Eine Stammfunktion von f(x) = ist F(x) = 1 ln bx c. bx c b a) Den Graphen von t e t erhält man durch Spiegelung der Graphen von t e t an der y-achse. Durch Spiegelung dieses Graphen an der x-achse erhält man den Graphen von t e t. Durch Verschiebung dieses Graphen um 1 Einheit nach oben erhält man den Graphen von t e t + 1 Verfünffacht man die y-koordinaten der Punkte auf diesem Graphen erhält man den Graphen von t v(t) b) Die Fallgeschwindigkeit nimmt zu, wobei die Zunahme wegen der zunehmenden Reibung abnimmt. Es ist lim v(t) = 5 d.h. v geht im vorliegenden Fall gegen eine Grenzgeschwindigkeit. t

5 Grundkurs Infinitesmalrechnung I 2003 Gegeben ist die Funktion f: x e 1 x2 mit der Definitionsmenge D f = R. Ihr Graph wird mit G f bezeichnet. 1.a) Ermitteln Sie das Symmetrieverhalten von an den Rändern des Definitionsbereichs. G f und untersuchen Sie das Verhalten von f b) Bestimmen Sie Lage und Art des Extrempunktes sowie die Lage der Wendepunkte von G f. c) Berechnen Sie f(1) und f(2). Zeichnen Sie den Graphen G f im Bereich 2 x 2 unter Verwendung aller bisherigen Ergebnisse (Längeneinheit 2 cm) Gegeben ist nun zusätzlich die Funktion h: x mit D. Ihr Graph wird mit f(x) h = R G h bezeichnet. a) Geben Sie die Wertemenge von h an und bestimmen Sie die Schnittpunkte von G f und G h. Zeichnen Sie mit Hilfe der bisherigen Ergebnisse den Graphen 1,5 x 1,5 in das obige Koordinatensystem ein. G h im Bereich b) Ermitteln Sie den Inhalt der von den Graphen G f und G h eingeschlossenen Fläche näherungsweise, indem Sie den Flächeninhalt eines geeigneten Drachenvierecks berechnen. Zeichnen Sie das verwendete Drachenviereck in das oben verwendete Koordinatensystem ein. c) Bestimmen Sie für die quadratische Funktion p: x ax 2 + bx + c mit D p = R die Para- meter a, b und c so, dass der Graph von p im Punkt S 0 e seinen Scheitel hat und durch die Punkte A 1 1 und B 1 1 verläuft. d) Der Graph der quadratischen Funktion q: x (1 1 mit hat seinen e ) x2 + 1 D e q = R Scheitel im Punkt T 0 1 und verläuft durch die Punkte A 1 1 und B 1 1 e (Nachweis nicht verlangt). Berechnen Sie nun näherungsweise den Inhalt der von den Graphen und einge- G f G h schlossenen Fläche, indem Sie die Funktionen p und q als Näherungen für die Funktionen f und h verwenden.

6 Lösung 1. a) f( x) = e 1 ( x)2 = e 1 x2 = f(x) Der Graph von f ist achsensymmetrisch zur y-achse. lim f(x) = lim e 1 x2 = 0, weil lim (1 x 2 ) = und lim x ± x ± x ± x e x = 0 b) f '(x) = e 1 x2 ( 2x) = 0 x = 0 Da f(x) > 0 für x < 0 und f(x) < 0 für x > 0 ist H 0 e ein Hochpunkt des Graphen. f '(x) = 2x e 1 x2 f ''(x) = 2 e 1 x2 2x e 1 x2 ( 2x) = 2 e 1 x2 (2x 2 1) = 0 2x 2 1 = 0 x = 1 2 = x = 1 2 = Es ist f(± ) = e1 2 = e 2 = e 1 Vorzeichenbetrachtung der 2.Ableitung < x < < x < < x < 2x e 1 x f ''(x) + + LK RK LK W 1 1 und sind Wendepunkte. 2 2 e 1 W e f ''(0) = 2e < 0 beweist ebenfalls, dass H 0 e ein Hochpunkt des Graphen ist. c) f(1) = e 0 = 1 und f(2) = e 3 = 1 e 3 0,05

7 a) Wertemenge: W = [ 1 e ; [ Schnittpunkte: f(x) = h(x) f(x) = 1 f(x) f(x) 2 = 1 f(x) = 1 f(x) = 1 e 1 x2 = 1 1 x 2 = 0 x = 1 x = 1 S und S b) A D = e 1 e c) Ansatz: p(x) = a x 2 + e = e 1 e Einsetzen von B 1 1 : 1 = a + e a = 1 e p(x) = (1 e) x 2 + e 1 d) 0 (1 e) x 2 + e (1 1 e ) x2 1 e dx = 1 0 ( 1 e e) x2 + (e 1 e ) dx = = ( 1 e e) 1 3 x3 + (e 1 e ) x 1 0 = 2 3 e e = 2 3 e 1 e A = 4 3 e 1 e (Achsensymmetrie)

8 Grundkurs Infinitesmalrechnung I 2005 Gegeben ist die Funktion f : x 1 (lnx) 2 mit dem Definitionsbereich D f = R +. Ihr Graph wird mit bezeichnet. G f a) Bestimmen Sie die Nullstellen von f und ermitteln Sie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs. b) Untersuchen Sie das Monotonieverhalten von G f und bestimmen Sie Lage und Art des Extrempunkts E von G f. Geben Sie die Wertemenge W f.von f an. c) Die einzige Wendestelle von f ist x W = e (Nachweis nicht erforderlich). Bestimmen Sie die Gleichung der Wendetangente w. d) Berechnen Sie f(e 2 ) und f(6). Zeichnen Sie die Wendetangente w und den Graphen G f Teilergebnis: E 1 1 Zur Kontrolle: y = 2 e x + 2 unter Verwendung aller bishe- rigen Ergebnisse im Bereich. 0 < x 6

9 Lösung a) f(x) = 1 (lnx) 2 = 0 (lnx) 2 = 1 lnx = 1 lnx = 1 x = e 1 = 1 e lnx = e1 = e lim f(x) = lim [1 (lnx) 2 )] = da lim x 0+0 x 0+0 x 0+0 lim f(x) = lim [1 (lnx) 2 )] = da lim lnx = x x x lnx = b) f '(x) = 2 lnx 1 (Summen- und Kettenregel) x = 0 x = 1 Monotonieuntersuchung: x 0 < x < 1 1 < x < f '(x) + f ist für 0 < x 1 streng monoton steigend und für 1 x < streng monoton fallend. f(1) = 1 (ln1) 2 = 1 0 = 1 und damit ist E 1 1 ein Hochpunkt. Aufgrund des Montonieverhaltens von f ergibt sich W f = ] ; 1]. c) f(e) = 0 und f '(e) = 2 lne 1 ergibt e = 2 e w : y = 2 e (x e) = 2 e x + 2 d) f(e 2 ) = 1 4 = 3 und f(6) = 1 (ln6) 2 2,2

10 Grundkursabitur 2006 Infinitesimalrechnung Aufgabe I Die untenstehende Abbildung zeigt den Graphen f: x x + a bx mit dem Definitionsbereich D f = R\{0}. G f einer rationalen Funktion f der Form a) Einziger Schnittpunkt von G f mit der x-achse ist A 1 0, außerdem verläuft G durch f den Punkt B 1 1. Bestimmen Sie den Funktionsterm von f. Gegeben ist nun zusätzlich die Funktion g: x lnf(x) = ln x + 1 2x mit maximalem Definitionsbereich D g. Ihr Graph wird mit G g bezeichnet. b) Begründen Sie anhand des Verlaufs von G f, dass gilt: D g = R\[ 1; 0]. Untersuchen Sie das Verhalten von g an den Rändern von aller Asymptoten von an. G g D g. Geben Sie die Gleichungen

11 c) Ermitteln Sie die Nullstelle von g und untersuchen Sie mit Hilfe der ersten Ableitung das Monotonieverhalten von g. d) Bestimmen Sie die Stelle x 0, an der die Funktionen f und g in der ersten Ableitung übereinstimmen. Ermitteln Sie die Gleichung der Tangente an G f in P x 0 f(x 0 ) sowie die Gleichung der Tangente an G g in Q x 0 f(x 0 ). Berechnen Sie die Nullstelle der Tangente in P. e) Berechnen Sie g( 4),, g( 2), g(0,1) und g(4). Zeichnen Sie den Graphen G g sowie seine Asymptoten unter Verwendung der bisherigen Ergebnisse in die obenstehende Abbildung ein. Tragen Sie auch die Tangenten in P und Q ein. f) Die Funktion G: x x g(x) + ln(x + 1) ist für x > 0 eine Stammfunktion von g. Ein Nachweis ist nicht erforderlich. Die Tangenten in P und Q schließen mit den Geraden x = 1 und x = 3 ein Parallelogramm ein. Der Graph von g teilt dieses Parallelogramm in zwei Teilflächen. Wie viel Prozent der Parallelogrammfläche nimmt die Teilfläche unterhalb von G g ein?

12 Lösung a) A 1 0 eingesetzt ergibt 1 + a b ( 1) = a = 0 a = 1 B 1 1 eingesetzt ergibt: Also f(x) = x x b = 1 b = 2 b) g ist für alle x R mit f(x) > 0 definiert. Also ist D g = R\[ 1; 0]. lim f(x) = lim x ± x ± x + 1 2x = lim x ± x 2 = 1 2 lim g(x) = ln 1 2 x ± lim f(x) = x 1 lim x 1 0 x + 1 2x = lim g(x) = x 1 0 da lim lnx = x 0+0 lim f(x) = lim x 0+0 x 0+0 x + 1 2x = lim g(x) = x 0+0 da lim lnx = x Waagrechte Asymptote: y = ln 1 2 Senkrechte Asymptoten: x = 1 und x = 0 c) g(x) = 0 ln x + 1 2x = 0 x + 1 = 2x x = 1 x = 1 ist die einzige Nullstelle von g. f '(x) = 1 1 2x (x + 1) 2 x+1 4x 2 = 2x 1 x (x + 1) x < 1 x > 0 x + x f '(x) f ist also für x ] ; 1[ und x ]0; [ jeweils streng monoton fallend. d) f(x) = x + 1 2x f '(x) = 1 2x (x + 1) 2 4x 2 = 2 4x 2 = 1 2x 2 < 0

13 f '(x) = g '(x) 1 2x 2 = 1 x (x + 1) x (x + 1) = 2x 2 x = 1 f '(1) = g '(1) = 1 2 f(1) = 1 g(1) = lnf(1) = ln1 = 0 Berührpunkte sind P 1 1 und Q 1 0. Tangente an G f in P: y = 1 2 (x 1) + 1 ) = 1 2 x Tangente an G g in Q: y = 1 2 (x 1) + 0 = 1 2 x Nullstelle der Tangente in P: 1 2 x = 0 x = 3 e) x 4 2 0,1 4 g(x) 0,98 1,39 1,70 0,47 f) Fläche des Parallelogramms: A P = 2 3 [g(x)]dx = x g(x) ln(x + 1) = = 3 g(3) ln(3 + 1) 1 g(1) ln(1 + 1) =

14 = 3 ln ln4 ln2 = ln 3 27 A = 1 ln = 1 ln A A P = 1 ln ,8%

15 Grundkursabitur 2006 Infinitesimalrechnung Aufgabe II Gegeben ist die Schar von Funktionen f a : x ax2 5 x 2 mit a R + und Definitionsbereich D a = R\{0}. Der Graph von f a wird mit G a bezeichnet. 1. a) Bestimmen Sie das Symmetrieverhalten von G a und die zwei Nullstellen von f a. b) Begründen Sie, dass y = a Asymptote von G a ist. Untersuchen Sie das Verhalten von f a (x) an der Definitionslücke. c) Untersuchen Sie das Monotonieverhalten von f a. d) Die Abbildung zeigt drei Graphen der Schar zu ganzzahligen Parameterwerten a. Geben Sie an, zu welchem a die Graphen I, II und III jeweils gehören, und begründen Sie Ihre Entscheidung a) Ermitteln Sie, für welche Parameterwerte a die positive Nullstelle von kleiner als 2,5 f a ist. Für diese Parameterwerte a schließen der Graph G a, die Koordinatenachsen, die Asymptote y = a und die Gerade x = 2,5 im ersten Quadranten eine Fläche mit Inhalt A a ein.

16 b) Markieren Sie diese Fläche für einen der Graphen in der Abbildung von Aufgabe 1.d). Begründen Sie, dass für den Flächeninhalt gilt: A a A a = 2,5a 2,5 5 a f a (x)dx c) Zeigen Sie: A a = 2 5a 2 Hinweis: Für die Integration ist es hilfreich, den Term der Funktion f a als Differenz darzustellen. d) Geben Sie ein Beispiel für zwei Parameterwerte a 1 und a 2 an, so dass sich die Flächen- inhalte A a1 und A 2 um 2 5unterscheiden Nun sei a = 2. Die untenstehende Abbildung zeigt den zugehörigen Graphen. Die Tangenten an in den Kurvenpunkten P 1,25 1,2 und Q 1,25 1,2 schließen mit der Asymptote ein Dreieck ein. Skizzieren Sie das Dreieck in die untenstehende Abbildung und berechnen Sie seinen exakten Flächeninhalt.

17 Lösung 1. a) f a ( x) = a ( x)2 5 ( x) 2 = a x2 5 x 2 = f a (x) Der Graph von f ist achsensymmetrisch zur y-achse. f a (x) = 0 a x 2 5 x 2 = 0 a x 2 5 = 0 x 2 = 5 a x = 5 a x = 5 a sind die Nullstellen einer Scharfunktion von. f a b) lim f a (x) = lim x ± x ± a x 2 5 x 2 = lim x ± a 5 x 2 = a y = a ist damit waagrechte Asymptote eines Schargraphen. lim x 0±0 a x 2 5, denn und x 2 = lim (a x 2 5) = 5 x ±0 G a lim x 2 = x ±0 Die y-achse x = 0 ist waagrechte Asymptote des Graphen von f a. c) f a (x) = a 5 x 2 = a 5 x 2 f a '(x) = 5 ( 2) x 3 = 10 x 3 x < 0 x > 0 f a '(x) + f a nimmt in ] ; 0[ streng monoton ab und in ]0; [ streng monoton zu. d) Nr. I II III Begründung: Nullstellen und asymptotisches Verhalten a) 5 a < 2,5 5 a < < 5a a > 0,8 Scharfunktionen mit a > 0, 8 haben eine positive Nullstelle, die kleiner als 2,5 ist.

18 b) Fläche des Rechtecks: A R = 2,5 a Damit ergibt sich A a = 2,5a 2,5 5 a f a dx 2,5 5 a a 5 x 2 dx = ax + 5 x 2,5 5 a = 2,5a + 2 5a + 5a = 2,5a a und damit A a = 2,5a 2,5a a = 2 5a 2 d) A a1 A a2 = 2 5a a 2 2 = 2 5 a 1 a 2 = 1 und a 2 = 1 a 1 =

19 3. a) Tangentengleichung in Q: f 2 '(1,25) = 10 1,25 3 = 5,12 x = 5,12 (x 1,25) 1,2 = 5,12x 7,6 Schnitt mit der Geraden y = 2: 5,12x 7,6 = 2 x = 1,875 Flächeninhalt des Dreiecks: A D = 1,875 9,6 = 18

20 Grundkursabitur 2007 Infinitesimalrechnung Aufgabe I 4e 1. Die Abbildung zeigt den Graphen G f der Funktion f: x x mit dem Definitionsbe- (e x + 1) 2 reich R. a) Begründen Sie, dass G f stets oberhalb der x-achse verläuft und berechnen Sie den Schnittpunkt von G f mit der y-achse. Weisen Sie nach, dass für x ± die Gerade y = 0 Asymptote von G f ist. b) Erklären Sie, wie man mit Hilfe des Graphen G f ohne Berechnung von f ' näherungsweise Werte von f ' an einzelnen Stellen ermitteln kann. Bestimmen Sie auf die von Ihnen beschriebene Weise einen Näherungswert für f '(1) auf eine Dezimale gerundet. c c) Die Funktion F mit D F = R hat die Form F(x) = und ist eine Stammfunktion e x + 1 von f. Bestimmen Sie die Konstante c. d) Bestimmen Sie F(0) und sowie das Verhalten von F an den Rändern von D F. Begründen Sie, dass F streng monoton zunehmend in D F ist.

21 e) Tragen Sie die Tangente an den Graphen von F im Punkt P 0 F(u) in untenstehendes Koordinatensystem ein und skizzieren Sie anschließend den Graphen von F unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse in diese Abbildung. f) Der Graph G f, die x-achse sowie die Geraden x = u und x = u, u > 0, schließen ein Flächenstück vom Inhalt A(u) ein. Bestimmen Sie lim A(u) und deuten Sie das Ergebnis geometrisch. u Folgende Tabelle gibt für ausgewählte Jahre im Zeitraum von 1991 bis 1999 die Anzahl der Mobilfunkverträge in Deutschland jeweils zum Jahresende an. Jahr Anzahl in Mio. 0,5 1,8 3,8 8,3 23,4 Die steigende Anzahl der Mobilfunkverträge lässt sich in diesem Zeitraum näherungsweise als exponentielles Wachstum auffassen und durch eine Exponentialfunktion der Form N(x) = a e bx beschreiben. N(x) ist dabei die Zahl der Mobilfunkverträge in Millionen, x ist die seit Jahresende 1991 vergangene Zeit in Jahren. Beispielsweise ist x = 8 für das Ende des Jahres a) Bestimmen Sie a und b aus den Werten für die Jahre 1991 und Runden Sie b auf zwei Dezimalen. b) Berechnen Sie die prozentuale Abweichung des Funktionswertes N(x) für das Jahresende 1995 vom tatsächlichen Wert. Welcher Funktionswert ergibt sich für das Jahresende 2007? Bewerten Sie das Ergebnis im oben genannten Anwendungszusammenhang. c) Bei einem exponentiellen Wachstum dauert es immer gleich lang, bis sich die Funktionswerte verdoppeln. Berechnen Sie diese Verdopplungszeit im vorliegenden Fall.

22 Lösung 1. a) e x > 0 und (e x + 1) 2 > 0 ergibt f(x) = 4e x (e x + 1) 2 > 0 f(0) = 4 e 0 und damit ergibt sich. (e 0 + 1) 2 = 4 (1 + 1) 2 = 1 S y 0 1 lim f(x) = lim x ± x ± 4e x (e x + 1) 2 = lim x ± 4e x e 2x + 2e x + 1 = lim x ± 4 e x e x = 0 Die x-achse y = 0 ist Asymptote des Graphen vonf. b) Man zeichnet näherungsweise Tangenten ein und bestimmt deren Steigung. Es ergibt sich f '(1) 0,4 c) F'(x) = 0 (ex + 1) c e x (e x + 1) 2 = c e x (e x + 1) 2 c = 4 d) F(0) = 4 e = = 2 lim x 4 e x + 1 = 4 da lim e x 4 = 0 und lim da e x + 1 = 0 0 x x lim e x = x Aus F'(x) = f(x) > 0 für alle x R folgt, dass F in D F streng monoton zunehmend ist. e) F'(0) = f(0) = 1 f) A(u) = u f(x)dx u = 4 e x + 1 u u = 4 e u e u + 1 und damit ist lim A(u) = 4 u Die nach beiden Seiten hin unendlich ausgedehnte Fläche zwischen hat den Inhalt 4. G f und der x-achse

23 a) 0,5 = a e 0 a = 0,5 und 23,4 = 0,5 e b 8 b = 1 ln46,8 0,48 8 b) N(4) = 0,5 e ,41 Prozentuale Abweichung: 3,8 3,41 3,8 0,103 = 10,3% N(16) = 0,5 e Es ergibt sich ein sehr unrealistischer Wert! 1 = 0,5 e 0,48 x 2 x 2 = ln2 0,48 1,44 c) Sei T die Verdoppelungszeit. e 0,48 T ln2 = 2 T = ln0,48 1,44

24 Grundkursabitur 2007 Infinitesimalrechnung Aufgabe II Gegeben ist die Funktion f: x x2 3 x 2 9 mit maximalem Definitionsbereich D f. Ihr Graph wird mit G f bezeichnet. 1. a) Geben Sie den maximalen Definitionsbereich D f, die Nullstellen von f und das Symmetrieverhalten von an. G f b) Untersuchen Sie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs und geben Sie die Asymptoten von an. G f c) Bestimmen Sie Art und Lage des relativen Extrempunkts E von G f. d) Berechnen Sie f(2,5) sowie f(4) und skizzieren Sie den Graphen G f und seine Asymptoten unter Berücksichtigung aller bisherigen Ergebnisse im Bereich 7 x a) F: x x + ln 3 x ist Stammfunktion von f im maximalen Definitionsbereich D. x + 3 F Ein Nachweis ist dafür ist nicht erforderlich. Zeigen Sie, dass D F = ] 3; 3[ der maximale Definitionsbereich von F ist. Berechnen Sie den Inhalt A der Fläche, die G f mit der x-achse einschließt, auf zwei Dezimalen genau. b) Begründen Sie, beispielsweise mit Hilfe von Flächenbetrachtungen, dass die Integralfunktion x F 0 : x f(t)dt 0 im Intervall ] 3;. 3[ drei Nullstellen hat. Hinweis: Die Nullstellen müssen nicht berechnet werden Betrachtet werden nun Funktionen der Form f a,b : x x2 a x 2 b mit a, b R und a b im jeweils maximalen Definitionsbereich.

25 Ihre Graphen werden mit G a,b bezeichnet. Beispielsweise erhält man für a = 3 und b = 9 obige Funktion f. a) Was muss für b gelten, damit f a,b in ganz R definiert ist? Geben Sie die Zahl der Nullstellen in Abhängigkeit von a an. b) Einer der drei abgebildeten Graphen G a,b gehört zum Fall 0 < b < a. Geben Sie an, welcher dies ist, und begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie erklären, warum die beiden anderen Graphen für den Fall 0 < b < a nicht in Betracht kommen.

26 Lösung 1. a) Maximale Definitionsmenge: D f = R\{ 3; 3} Nullstellen: x = 3 x = 3 Symmtrieverhalten: G f ist achsensymmetrisch zur y-achse. b) lim f(x) = lim x ± x ± x 2 3 x 2 9 = lim x ± 1 3 x x 2 = 1 lim f(x) = lim x 3+0 x 3+0 lim f(x) = lim x 3 0 x 3 0 x 2 3 x 2 9 = x 2 3 x 2 9 = weil weil lim x 3+0 lim x 3 0 Wegen der Achsensymmetrie des Graphen folgt lim f(x) = x 3+0 und Waagrechte Asymotote: y = 1 Senkrechte Asymptoten: lim f(x) = x 3 0 x = 3 und x = 3 c) f '(x) = 2x (x2 9) (x 2 3) 2x (x 2 9) 2 = E (x 2 3) = 6 und lim x 3+0 (x 2 3) = 6 und lim 12x (x 2 9) 2 = 0 x = 0 x 3 0 (x 2 9) = (x 2 9) = 0 0 < x < 3 3 < x < 0 0 < x < 3 3 < x < f '(x) + + ist ein Hochpunkt. d) f(2,5) 1,2 und f(4) 1,9

27 x 2. a) Damit F definiert ist, muss gelten. x + 3 > 0 Vorzeichentabelle: < x < 3 3 < x < 3 3 < x < 3 x + + x Also D F = ] 3; 3[. 3 x 2 3 x 2 dx = 3 x x + ln + 3 x A 0,83 b) Es ist F 0 = = 3 + ln ,415 Ferner kommt es im Intervall ]0; 3[ und damit auch im Intervall ] 3;0[ einemal zum Fächenausgeich der über- und unterhalb der x-achse liegenden Flächen a) b muss kleiner als Null sein. a < 0 a = 0 a > 0 Anzahl der Nullstellen 0 1 2

28 b) Der Graph G a,b muss zwei Schnittpunkte mit der x-achse besitzen und der Schnittpunkt mit der positiven x-achse muss rechts von den senkrechten Asymptoten liegen. Nur der Graph in Abb. 2 erfüllt diese Bedingunge.

29 Grundkursabitur 2008 Infinitesimalrechnung Aufgabe I 8x Gegeben ist die Funktion f : x mit dem Definitionsbereich. Ihr Graph wird x 2 D f = R + 4 mit bezeichnet. G f 1. a) Untersuchen Sie das Symmetrieverhalten von G f sowie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs und geben Sie die Nullstelle von f an. b) Bestimmen Sie Art und Lage der Extrempunkte von G f. c) Ermitteln Sie die Gleichung der Tangente an G f im Ursprung. Berechnen Sie f(1) und f(6) und skizzieren Sie den Graphen bisherigen Ergebnisse im Bereich 6 x 6. G f unter Verwendung aller b) Begründen Sie, dass f im Intervall 2; 2 umkehrbar ist. Tragen Sie den Graphen der zugehörigen Umkehrfunktion g in das Koordinatensystem von Teilaufgabe 1.c) ein. Die Funktion F : x 4 ln(x 2 + 4) mit D F = R ist Stammfunktion von f (Nachweis nicht erforderlich). e) Der Graph von f und der Graph der Umkehrfunktion g schließen im ersten Quadranten ein Flächenstück ein. Berechnen Sie den Inhalt A dieses Flächenstücks Unmittelbar nach der einmaligen, kurzzeitigen Einleitung von Abwasser in einem See kommt es zu einem Absinken des Sauerstoffgehalts im See. Da die Abwasserbelastung nicht zu hoch ist, führt die Selbstreinigung des Sees schließlich wieder zu einer Erhöhung des Sau erstoffgehalts. Die Funktion,, h : x 8 f(x) D h = R + 0 beschreibt näherungsweise den Sauerstoffgehalt des Sees an der Einleitungsstelle. Dabei ist x die Anzahl der seit Einleitung des Abwassers vergangenen Tage, h(x) die mg Maßzahl des Sauerstoffgehalts in. l Die Abbildung veranschaulicht den Verlauf des Graphen von h. a) Beschreiben Sie, wie der Graph von h aus dem Graphen von f hervorgeht.

30 Nach wie vielen Tagen erreicht der Sauerstoffgehalt einen kleinsten Wert und wie hoch ist dieser? b) Berechnen Sie, wann der Sauerstoffgehalt wieder auf 95% des ursprünglichen Wertes angestiegen ist. mg c) Der mittlere Sauerstoffgehalt (in ) an der Einleitungsquelle ist für einen Zeitraum l 1 von 20 Tagen nach Einleitung des Abwassers gegegeben durch h(x)dx. 20 Bestimmen Sie damit den mittleren Sauerstoffgehalt für diesen Zeitraum. 20 0

31 Lösung 1. a) f( x) = 8 ( x) ( x) = 8x x = f(x) Der Graph von f ist punktsymmetrisch zum Koordinatenursprung O 0; 0. lim f(x) = lim x x 8x x = lim x 8 x + 4 x = Wegen der Punktsymmetrie des Graphen gilt dann lim f(x) = 0 0 x Nullstelle von f: x = 0 b) f '(x) = 8 (x2 + 4) 8x 2x (x 2 + 4) 2 = Monotonieverhalten von f : 32 8x2 (x 2 + 4) 2 = 0 x = 2 x = 2 < x < 2 2 < x < 2 2 < x < 32 8x 2 + (x 2 + 4) f '(x) + smf sms smf Also ist T 2 2 ein Tiefpunkt und H 2 2 ein Hochpunkt des Graphen. c) f '(0) = 2 und damit ist t 0 : y = 2x die Tangente im Ursprung. f(1) = 1,6 und f(6) = 1,2

32 d) Man berechnet zunächst den Inhalt der Fläche, die der Graph von f im I. Quadranten mit der Winkelhalbierenden des I. und III. Quadranten einschließt. Die gesuchte Fläche ist dann doppelt so groß. A 1 = 2 8x ( x x)dx = 4 ln(x2 + 4) x = 4 ln8 2 4 ln4 = 4ln2 2 A = 8 ln2 4 = 4 (2 ln2 1) Beachte: 8x x dx lässt sich mit logarithmischer Integration berechnen: f '(x) dx = ln f(x) + C f(x) Dazu ist allerdings die Umformung 8x notwendig. x 2 dx = 4 2x + 2 x dx a) Man erhält den Graphen von h durch Einschränkung der Funktion f auf R + 0, Spiegelung des Graphen der so erhaltenen Funktion an der x-achse und anschließende Verschiebung mit dem Vektor v = 0. 8 Der niedrigste Sauerstoffgehalt wird nach zwei Tagen erreicht. Er beträgt dann. 6 mg l

33 b) 8 8x x = 0,95 8 7,6x2 + 8x + 22,4 = 0 x = ,8 Der Sauerstoffgehalt ist nach 19,8 Tagen wieder auf 95% seines ursprünglichen Wertes angestiegen. 20 c) h(x)dx = 8x 4 ln(x 2 + 4) = ln ln4 = ln101 Durchschnittlicher Sauerstoffgehalt : ln101 7,08 mg l

34 Grundkursabitur 2008 Infinitesimalrechnung Aufgabe II Die Abbildung zeigt den Graphen G g der Funktion g : x (4x 2) e 2x mit dem Definitions- bereich D g = R. 4 y x a) Berechnen Sie die Nullstelle von g. G g besitzt genau einen Tiefpunkt (Nachweis nicht erforderlich). Berechnen Sie dessen Koordinaten. b) Weisen Sie nach, dass G g genau einen Wendepunkt besitzt und bestimmen Sie die Gleichung der Wendetangente w. Tragen Sie diese in obige Abbildung ein. c) Gegeben ist die Integralfunktion I : x g(t)dt mit x R. Für verschiedene Werte von x wird jeweils das Vorzeichen von I(x) betrachtet. x 0 Was kann hierüber ohne Rechnung im Bereich 0 < x 0,5 ausgesagt werden, was im Bereich x > 0,5? Begründen Sie ihre Antwort, ohne eine integralfreie Darstellung von I zu verwenden. Gegeben ist nun zusätzlich die Funktion h : x ( 4x 2) e 2x mit Definitionsbereich D h = R und zugehörigem Graph 2. a) Begründen Sie anhand der Funktionsterme von g und h, dass man erhält, indem man G h an der y-achse spiegelt. G g G h

35 Geben Sie auch die Gleichung der Wendetangente von G h an. b) Die Funktion G : x (2x 2) e 2x mit D G = R ist eine Stammfunktion von g (Nachweis nicht erforderlich. Die Schnittpunkte der Graphen G g bzw. G h mit der x-achse werden mit N bzw. M bezeichnet. Berechnen Sie den Inhalt A des Flächenstücks, das von der Strecke MN sowie den Graphen G g und G h eingeschlossen wird. Hinweis : Gg und G h schneiden sich nur auf der y Achsse Betrachtet wird nun die Schar der in R definierten Funktionen f a : x (2ax 2) e ax mit a R\{0}. a) Zeigen Sie, dass die Funktionen g und h Funktionen der Schar sind, indem Sie die zuge. hörigen Parameterwerte a angeben. Weisen Sie nach, dass alle Graphen der Schar die y-achse im selben Punkt schneiden. b) Jede Funktion der Schar hat genau eine Wendestelle und zwar bei x = 1 (Nachweis a nicht erforderlich). Zeigen Sie, dass alle Wendepunkte auf einer Parallelen p zur x-achse liegen, und geben Sie die Gleichung von p an. c) Die Wendetangente jedes Graphen der Schar schließt mit den Koordinatenachsen ein rechtwinkliges Dreieck ein. Für bestimmte Werte von a ist dieses Dreieck gleichschenklig. Beschreiben Sie einen Weg, um diese Werte von a rechnerisch zu ermitteln (Rechnungen sind nicht erforderlich).

36 Lösung 1. a) g(x) = (4x 2) e 2x = 0 4x 2 = 0 x = 1 2 g '(x) = 4 e 2x + (4x 2) e 2x 2 = 8x e 2x = 0 x = 0 g(0) = (4 0 2) e 2 0 = 2 1 = 2 Die Koordinaten des Tiefpunkts sind also T 0 2. b) g ''(x) = 8 e 2x + 8x e 2x 2 = (8 + 16x) e 2x = 0 x = 1 2 Krümmungsverhalten : < x < 0,5 0,5 < x < x + e 2x + + g''(x) + RK LK W 1 2 ; 4 e ist also der einzige Wendepunkt des Graphen von f. g '( 0,5) = 4 e 1 = 4 e Wendetangente w : y = 4 e (x + 0,5) 4 e = 4 e x 6 e x c) I : x g(t)dt 0 I ist für 0 < x 0,5 negativ, da die Integration nach rechst verläuft und der Integrand für 0 < x < 0,5 negativ ist. Für x > 0,5 kommt es für ein x 0 > 0,5 zum Flächenausgleich und I wird positiv um es dann auch zu bleiben a) g( x) = 4 ( x) 2 e2 ( x) = ( 4x 2) e 2x = h(x) Also liegen der Graph von h und der Graph von g achsensymmetrisch zur y-achse.

37 w' : y = 4 e x 6 e Ist f: x f(x) eine Funktion mit dem Graphen G f, dann erhält man den Graphen von 1. f 1 : x f(x) durch Spiegelung von G f an der x-achse. 2. f 2 : x f( x) durch Spiegelung von G f an der y-achse-. 3. f 3 : x f( x) durch Spiegelung von G f am Koordinatenursprung O f 4 : x f(x a) + b durch Verschiebung von G f mit dem Vektor v = a. b 5. f 5 : x f(ax) durch eine orthogonale Affinität von G f entlang der x-achse. 6. f 6 : x a f(x) durch eine orthogonale Affinität von G f entlang der y-achse. b) 0,5 g(x)dx = (2x 2) e 2x 0 0,5 0 = (1 2) e ( 0 2) 1 = 2 e A = 2 (e 2) = 2e f a (x) = (2ax 2) e ax mit a R, a 0 a) g(x) = f 2 x) und h(x) = f 2 (x) f a (0) = (0 2) e 0 = 2 b) f a ( 1 ergibt a ) = 2a ( 1 a ) 2 e a ( 1 a ) = 4 p : y = 4 e e c) Der Betrag der Nullstelle der Wendetangente muss gleich dem Betrag des y-abschnitts der Wendetangente sein.

38

39 Grundkursabitur 2009 Infinitesimalrechnung Aufgabe I 1. Die Abbildung zeigt den Graphen G f einer ganzrationalen Funktion f dritten Grades mit dem Definitionsbereich D f = R. Die in der Abbildung angegebenen Punkte P(1 3), N 1 (0 0), N 2 (2 0) und N 3 (4 0) sind Punkte von G f. a) Geben Sie den Funktionsterm von f in der Form f(x) = a(x b)(x c)(x d) an, indem Sie passende Werte für a, b, c, d R ermitteln. Zeigen Sie, dass sich dieser in der Form f(x) = x 3 6x 2 + 8x schreiben lässt. b) Weisen Sie nach, dass N 2 Wendepunkt von G f ist, und eimitteln Sie die Gleichung der zugehörigen Wendetangente. c) Die Wendetangente schließt mit den Koordinatenachsen ein Dreieck ein. Bestimmen Sie die Innenwinkel dieses Dreiecks. Betrachtet wird nun die Integralfunktion F : x f(t)dt mit D. F = R x 0

40 d) Berechnen Sie F(4). Was folgt daraus für die beiden Flächenstücke, die der Graph G f mit der x-achse im 1. und im IV. Quadranten einschließt? Begründen Sie Ihre Antwort. Bestimmen Sie nun die Summe der Inhalte dieser beiden Flächenstücke. e) Einer der drei abgebildeten Graphen I, II oder III stellt den Graphen von F dar. Geben Sie an, welcher dies ist, und begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie erklären, warum die beiden anderen Graphen nicht in Betracht kommen. f) Bekanntlich ist jede Integralfunktion der Funktion f auch Stammfunktion von f. Begründen Sie, dass jede Integralfunktion mindestens eine Nullstelle hat. Geben Sie den Term einer Stammfunktion von f an, die keine Integralfunktion von f ist In der Medizin wird radioaktives Jod-123 zur Untersuchung der Schilddrüse eingesetzt. Kurze Zeit nach der Verabreichung dieser Substanz an den Patienten wird die von der Substanz ausgehende Strahlung gemessen, wodurch Rückschlüsse auf den Zustand der Schilddrüse möglich sind. Durch radioaktiven Zerfall verringert sich die Substanzmasse. Die im Körper des Patienten noch vorhandene Masse m des verabreichten Jod-123 lässt sich durch den Term m(t) = m 0 e k t mit k > 0 beschreiben. Dabei gibt m 0 die zum Zeitpunkt t = 0 verabreichte Jodmasse an; t ist die Maßzahl der seit Verabreichung vergangenen Zeit in Stunden. a) Nach einer Zeit von 13,2 Stunden ist nur noch die Hälfte der verabreichten Jodmasse vorhanden. Bestimmen Sie hieraus den Wert des Parameters k. b) Wie viel Prozent der verabreichten Jodmasse sind vier Stunden nach Verabreichung im Körper des Patienten noch vorhanden? Wie lange dauert es, bis 90% der verabreichten Jodmasse zerfallen sind?

41 Lösung 1. a) f(x) = a (x 0) (x 2) (x 4) = a x (x 2) (x 4) P(1 3) eingesetzt ergibt 3 = a (1 2) (1 4) a = 1 Damit f(x) = x (x 2) (x 4) = x 3 6x 2 + 8x b) f '(x) = 3x 2 12x + 8 f ''(x) = 6x 12 = 0 x = 2 f '''(x) = 6 0 N 2 (2 0) ist der einzige Wendepunkt des Graphen von f. f '(2) = 4 ergibt die Wendetangente y = 4 (x 2) = 4x + 8 c) Winkel bei N 2 : tanα = 8 2 = 4 α 76 Die anderen Winkel messen 90 und 14. d) F(4) = 4 (x 3 6x 2 + 8x)dx = 0 x 4 4 2x3 + 4x = = 0 Die zwei Flächenstücke, die der Graph von f mit der x-achse einschießt, sind gleich groß. F(2) = 2 (x 3 6x 2 + 8x)dx = 0 x 4 4 2x3 + 4x = = 4 Beide Flächenstücke sind zusammen 8 FE groß. e) Graph I : Nicht der Graph von F, da F(x) > 0 für x < 0 sein muss. Graph III : Nicht der Graph von F, da F zwischen 0 und 4 nur eine Extremstelle hat. f) Die untere Grenze ist Nullstelle jeder Integralfunktion F(x) = f(t)dt. F 1 (x) = F(x) + 1 ist Stammfunktion, aber keine Integralfunktion, da sie keine Nullstelle besitzt x a 2. a) 1 2 m 0 = m 0 e k 13,2 1 2 = e 13,2 k 13,2 k = ln 1 2 k = ln2 13,2 k 0,525

42 ln2 b) m(4) = e 13,2 4 0,81 m 0 Nach 4 Stunden sind noch ca. 81% des verabreichten Jods vorhanden. 0,1m 0 = m 0 e ln2 13,2 t e ln2 13,2 t = 0,1 ln2 t = ln0,1 13,2 t = 13,2 ln0,1 ln2 44 Nach ca. 44 h sind 90% der radioaktiven Jods zerfallen.

43 Grundkursabitur 2009 Infinitesimalrechnung Aufgabe II Gegeben ist die Funktion f : x x e 2 x mit dem Definitionsbereich D f = R. Ihr Graph wird mit bezeichnet. G f 1. a) Geben Sie die Nullstelle von f an und untersuchen Sie das Verhalten von f für x und x. b) Bestimmen Sie Art und Lage des Extrempunkts von G f und ermitteln Sie die Gleichung der Tangente t an G f im Punkt P(0 f(0)). c) Untersuche Sie das Krümmungsverhalten von G f. Geben Sie die Koordinaten des Wendepunkts von an. G f d) Berechnen Sie f(0,5) und f(5). Zeichnen Sie die Tangente t und den Graphen G f unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse in ein Koordinatensystem ei,. (Platzbedarf im Hinblick auf das Folgende : 7 y 9) a) Ermitteln Sie durch Betrachtung einer jeweils geeigneten Dreiecks oder Trapezfläche grobe Näherungswerte für f(x)dx und f(x)dx. 1 0 b) Betrachtet wird die Integralfunktion: I : x f(t)dt für x R: 5 1 Bestimmen Sie ohne Verwendung einer integralfreien Darstellung der Funktion I Art und Lage des Extrempunktes des Graphen von 1. Skizzieren Sie unter Einbeziehung der bisherigen Ergebnisse, insbesondere auch der Näherungswerte aus Aufgabe 2.a) den Graphen von I in das Koordinatensystem aus Teilaufgabe l.d) Gegeben ist nun zusätzlich die Schar der Geraden mit den Gleichungen y = ax, a R, und Definitionsbereich D a = R. a) Jede Gerade g a hat mit G f den Ursprung gemeinsam (kein Nachweis erforderlich). Untersuchen Sie rechnerisch, für welche Werte des Parameters a es einen zweiten Punkt gibt, die die Gerade mit gemeinsam hat. g a Geben Sie die x-koordinate G f x S x 0 g a dieses Punktes in Abhängigkeit von a an.

44 b) F : x ( x 1) e 2 x mit x R ist eine Stammfunktion von f (Nachweis nicht erforderlich). Ermitteln Sie den Inhalt der Fläche, die G f mit der Geraden g a m für a = 1 einschließt. c) G f und die x-achse schließen im I. Quadranten ein sich ins Unendliche erstreckendes Flächenstück ein, das den endlichen Flächeninhalt lich). e 2 besitzt (Nachweis nicht erforder- Für ein, bestimmtes a 0 teilt die Gerade g a0 dieses Flächenstück in zwei inhaltsgleiche Teilstücke. Geben Sie einen Ansatz zur Bestimmung von a 0 an. Lösung 1. a) x = 0 ist inzige Nullstelle von f. lim x e 2 x = lim x x x e x 2 = lim e 2 x x e x = 0

45 lim x e 2 x = x b) f '(x) = 1 e 2 x + x e 2 x ( 1) = (1 x) e 2 x = 0 x = 1 f ''(x) = 1 e 2 x + (1 x) e 2 x ( 1) = (x 2) e 2 x f ''(1) = (1 2) e 2 1 = e < 0 Also ist E(1 e) ein Hochpunkt des Graphen. f '(0) = e 2 und damit ist y = e 2 x die Gleichung der Tangente im Punkt P. c) f ''(x) = 0 x = 2 Krümmungsverhalten von f < x < 2 2 < x < f ''(x) + Rechtskrümmung Rechtskrümmung Mithin ist W(2 2) der einzige Wendepunkt des Graphen von f. d) Der Ursprung ist TP des Graphen von I. Begründung : f(0) = 0 mit VZW von nach + und I(0) = 0 f( 0,5) = 0,5 e 2,5 6,1 und f(5) = 5 e 3 0,25

46 a) 1 f(x)dx und 2 1 e = e 1,4 1 f(x)dx 2 2 (e + 5 e 3 ) 4 5,9 0 b) I(0) = 0 und I(1) 1,4 und I(5) = 7,3 H 0 0 ist Tiefpunkt von des Graphen von I. 5 1 Begründung: x = 0 ist Nullstelle von f und Vorzeichenverhalten von f Gegeben : g a. y = ax a) ax = x e 2 x x (a e 2 x ) = 0 x = 0 e 2 x = a x = 0 x = 2 lna falls a > 0. Gleichheit der Lösungen: 2 lna = 0 a = e 2 Falls a > 0 und a e 2, dann gibt es zwei Schnittpunkte. Der zweite Schnittpunkt hat die x-koordinate 2 x = lna x = 2 lna

47 2 b) A = [f(x) x]dx = ( x 1) e 2 x x = ( 3 2) ( e 2 ) = e 2 5 c) 2 lna 0 [f(x) ax]dx = 1 2 e2

48 Grundkursabitur 2010 Infinitesimalrechnung Aufgabe I Gegeben ist für k R + die Schar von Funktionen f k : x 1 2k e x + k mit dem maximalen Definitionsbereich D k. Der Graph von f k wird mit G k bezeichnet. 1. a) Geben Sie den Definitionsbereich D k an. Bestimmen Sie das Verhalten von f k für x und für x und geben Sie die Gleichungen der Asymptoten von G k an. b) Untersuchen Sie das Monotonieverhalten von G k. c) Zeigen Sie, dass G k die x-achse nur im Punkt S k lnk 0 schneidet. Die Tangente an im Punkt S k wird mit t k bezeichnet. Begründen Sie, dass alle Tangenten t k parallel zueinander sind. d) Zeigen Sie, dass sich die Graphen G 1 und G 8 nicht schneiden. e) Berechnen Sie f 1 ( 1), f 1 (1), f 8 (1) und f 8 (3). Zeichnen Sie die Graphen G 1 und G 8, deren Asymptoten sowie die Tangenten t 1 und t 8 unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse in ein Koordinatensystem ein. f) Begründen Sie, dass durch jeden Punkt der x-achse ein Graph G k verläuft. G k g) Zeigen Sie, dass die Funktion F k : x 2 ln(e x + k) x mit x D k eine Stammfunktion von ist. f k h) G k und die Koordinatenachsen begrenzen im IV. Quadranten ein Flächenstück. Berechnen Sie dessen Inhalt Lässt man für den Parameter k auch negative Werte zu, so unterscheiden sich die Graphen G k mit k R von den Graphen G k mit k R +. Geben Sie zwei grundsätzliche Unterschiede an und begründen Sie jeweils Ihre Antwort.

49 Lösung 1. a) D k = R, da e x > 0 für x R. lim f k (x) = lim 1 2k x x e x + k = 1 2 = 1, da lim e x = 0. x G k besitzt für x die waagrechte Asymptote y = 1. lim f k (x) = lim 1 2k x x e x + k = 1, da lim e x 2k = und damit lim. e x + k = 0 x x G k besitzt für x die waagrechte Asymptote y = 1. b) f k '(x) = 0 (ex + 1) 2k e x 2k e für alle. (e x + k) 2 = x (e x + k) 2 > 0 x R G k ist also auf ganz D k = R streng monoton steigend. c) f k (x) = 0 1 2k e x + 1 = 0 1 = 2k e x + k ex + k = 2k e x = k x = lnk und damit ist S k lnk 0 der einzige Schnittpunkt eines Schargraphen mit der x-achse. Steigung der Tangente in S k : f k '(lnk) = 2k e lnk (e lnk + k) 2 = = 2k k (k + k) 2 = 2k2 4k 2 = 1 2 Alle Tangenten haben die gleiche Steigung und sind daher parallel. f) f 1 (x) = f 8 (x) 1 2 e x + 1 = 1 16 e x + 8 2e x + 16 = 16e x + 16 e x = 0 2 e x + 1 = 16 e x + 8 Die letzte Gleichung besitzt keine Lösung. Also schneiden sich die beiden Graphen nicht. 2 e) f 1 ( 1) = 1 und e ,46 f 1 (1) = 1 2 e + 1 0,46 f 8 (1) = 1 16 und e + 8 0,49 f 16 8 (3) = 1 0,43 e 3 + 8

50 f) Die Schnittpunkte der Graphen G k mit der x-achse sind gegeben durch S k lnk 0. Da die ln-funktion die Wertemenge R hat, ist jeder Punkt der x-achse Schnittpunkt eines Schargraphen mit der x-achse. Ist der Schnittpunkt mit der x-achse gegeben durch S x 0 0, dann schneide der zu k = e x 0 gehören Schargraph die x-achse in S. g) F k '(x) = 2 e x e x + k 1 = 2ex (e x + k) e x + k = ex k e x + k = ex + k 2k e x + k = ex + k e x + k 2k e x + k = = 1 2k e x + k h) ln8 (x 16 e x + 8 )dx = 2 ln(ex + 8) x 0 ln8 0 = 2 ln16 ln8 2 ln9 = ln A = ln = ln , Für negative k-werte besitzt jede Scharfunktion eine Definitionslüvke, aber keine Nullstelle. Begründung: f k besitzt für k < 0 die Fefintionslücke x = ln( k) 1 2k besitzt für keine Lösung. e x + k = 0 ex = k k < 0

51 Grundkursabitur 2010 Infinitesimalrechnung Aufgabe II Gegeben ist die Funktion f: x 1 x mit dem Definitionsbereich D. Der Graph 1 + x f = R\{ 1} von f wird mit bezeichnet. G f 1. a) Untersuchen Sie das Verhalten von f an den Rändern des Definitionsbereichs und geben Sie die Gleichungen der Asymptoten von an. b) Die Terme der gebrochen-rationalen Funktionen g und h haben den gleichen Zähler wie f(x), aber jeweils einen anderen Nenner. Geben Sie je einen möglichen Funktionsterm für g und h an, so dass im jeweils maximalen Definitionsbereich gilt: - Der Graph von g hat keine senkrechte Asymptote. - Die Funktion h hat an der Stelle x = 1 eine Polstelle ohne Vorzeichenwechsel a) Geben Sie die Koordinaten der Achsenschnittpunkte von G f an und untersuchen Sie das Monotonieverhalten von. b) Berechnen Sie f(3), f( 2) und f( 5). Zeichnen Sie G f sowie die Asymptoten unter Verwendung der bisherigen Ergebnisse in ein Koordinatensystem ein Die Funktion f ist umkehrbar (Nachweis nicht erforderlich). Bestimmen Sie den Term der Umkehrfunktion von f. Was lässt sich aus dem Ergebnis hinsichtlich der Symmetrie von folgern? a) Bestätigen Sie, dass die Funktion F: x x + 2 ln(x + 1) für x ] 1; [ eine Stammfunktion von f ist. b) Weisen Sie durch Rechnung nach, dass G f im I. Quadranten den Viertelkreis um den Koordinatenursprung mit Radius 1 in zwei etwa inhaltsgleiche Teilflächen zerlegt Die Ergebnisse der Aufgaben 1 bis 3 können im Folgenden verwendet werden. 5. Eine Kugel A der Masse 1 kg bewegt sich nach rechts und stößt mit der Geschwindigkeit elastisch und zentral auf eine gleich große ruhende Kugel B. G f Kugel A Kugel B

52 Die Maßzahl der Geschwindigkeit der Kugel A in unmittelbar nach dem Zusammenm s stoß wird durch die Funktion v: m 1 m mit m R + beschrieben, wobei m für die 1 + m Maßzahl der Masse der Kugel B in kg steht. Zu einer Bewegung nach rechts gehören positive Geschwindigkeiten, zu einer Bewegung nach links negative Geschwindigkeiten. a) Berechnen Sie, mit welcher Geschwindigkeit sich Kugel A unmittelbar nach dem Stoß bewegt, wenn die Masse der Kugel B 0,6 kg beträgt. Geben Sie die Grenzwerte der Funktion v für m 0 sowie m + an und machen Sie für diese beiden Grenzfälle jeweils den Bewegungsablauf der Kugel A im Sachzusammenhang plausibel. b) Ermitteln Sie, für welche Werte von m sich Kugel A unmittelbar nach dem Stoß nach rechts bewegt. Berechnen Sie, für welchen Wert von m sich die Kugel A unmittelbar nach dem Stoß mit nach links bewegt.

53 Lösung 1 x 1. a) lim f(x) = lim da x ± x ± 1 + x = lim x 1 1 x ± x + 1 = 1 lim f(x) = x 1+0 lim f(x) = x 1 0 lim x 1+0 lim x x da 1 + x = lim 1 x x da 1 + x = lim x = 1 ist ein pol einfacher Ordnung. Waagrechte Asymptote: y = 1 Senkrechte Asymptote: x = 1 x 1+0 lim x ± 1 x = 0 (1 + x) = und lim x 1+0 (1 + x) = 0 0 und lim x 1+0 (1 x) = 2 (1 x) = 2 b) h mit g(x) = x 1 hat keine Definitionslücke und damit keine senkrechte Asymptote 1 + x 2 und 1 x h mit h(x) = hat an der Stelle einen Pol gerader Ordnung. (1 + x) 2 x = 1 c) S x 1 0 und S y 0 1 f '(x) = 1 (1 + x) (1 x) 1 (1 + x) 2 = 2 für. (1 + x) 2 < 0 x D f G f ist für x ] ; 1[ und x ] 1; [ jeweils streng monoton fallend. d) x f(x) 1,5 3 2/3

54 Auflösen der Funktionsgleichung nach y: y = 1 x 1 + x y (1 + x) = 1 x y + y x = 1 x x + x y = 1 y x (1 + y) = 1 y x = 1 y 1 + y Also ist f umkehrbar mit der Umkehrfunktion f 1 : x 1 x 1 + x = f(x) Die Funktion f ist ihre eigene Umkehrfunktion. Ihr Graph ist also symmetrisch zur Winkelhalbierenden des 1. und 3. Quadranten : a) F'(x) = x = 1 (x + 1) + 2 x + 1 b) f(x) = x + 2 ln(x + 1) 1 = ln2 0 0 = 1 x 1 + x = f(x) ln2 1 4 π = ln2 0,49 π a) v(0,6) = 1 0, ,6 = 0,25 lim v = 1 m Kein Geschwindigkeitsverlust der Kugel A, da die Kugel B nur infinitesimal kleine Masse hat.

55 lim v = 1 m 0 Die Kugel A wird an der großen Masse von B reflektiert. b) 0 < m < 1 1 < m < m 1 + m A bewegt sich nach rechts links