Aufgabenbeispiele von Potenzfunktionen

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Nullstellen berechnen

Beispiel:

Bestimme die Schnittpunkte der Funktion f mit f(x)= x 4 -4 x 2 mit der x-Achse.

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An den Schnittpunkten mit der x-Achse müssen die Funktionswerte null sein, also müssen wir den Funktionsterm =0 setzen:

x 4 -4 x 2 = 0
x 2 ( x 2 -4 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

x 2 -4 = 0 | +4
x 2 = 4 | 2
x2 = - 4 = -2
x3 = 4 = 2

Da die y-Werte als Funktionswerte =0 sein müssen, ergeben sich als Schnittpunkte mit der x-Achse:

S1( -2 |0), S2(0|0), S3( 2 |0)

x-Werte berechnen (f(x) gegeben)

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x)= x 3 - x -2 . Berechne alle Stellen für die gilt: f(x) = -2.

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Es gilt f(x) = -2, also x 3 - x -2 = -2.

x 3 - x -2 = -2 | +2
x 3 - x -2 +2 = 0
x 3 - x = 0
x ( x 2 -1 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 2 -1 = 0 | +1
x 2 = 1 | 2
x2 = - 1 = -1
x3 = 1 = 1

An den Stellen x1 = -1 , x2 = 0 und x3 = 1 gilt also f(x)= -2.

x-Werte berechnen (schwerer)

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x)= ( 4 -2x ) 3 +7 . Berechne alle Stellen für die gilt: f(x) = -1.

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Es gilt f(x) = -1, also ( 4 -2x ) 3 +7 = -1.

( 4 -2x ) 3 +7 = -1
( -2x +4 ) 3 +7 = -1 | -7
( -2x +4 ) 3 = -8 | 3
-2x +4 = - 8 3 = -2
-2x +4 = -2 | -4
-2x = -6 |:(-2 )
x = 3

An der Stelle x1 = 3 gilt also f(x)= -1.

Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Berechne die Schnittpunkte der Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= -5 x 4 +80 x 2 +5x +1 und g(x)= 5x +1 .

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An den Schnittstellen müssen die Funktionswerte der beiden Graphen gleich sein, also müssen wir die beiden Funktionsterme gleichsetzen:

-5 x 4 +80 x 2 +5x +1 = 5x +1 | -1
-5 x 4 +80 x 2 +5x = 5x | -5x
-5 x 4 +80 x 2 +5x -5x = 0
-5 x 4 +80 x 2 = 0
5 x 2 ( - x 2 +16 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

- x 2 +16 = 0 | -16
- x 2 = -16 |: ( -1 )
x 2 = 16 | 2
x2 = - 16 = -4
x3 = 16 = 4

Um noch die y-Werte der Schnittpunkte zu erhalten, muss man die Lösungen entweder in f oder in g einsetzen (weil es Schnittpunkte sind, müssen ja bei diesem x-Wert beide y-Werte (also Funktionswerte) gleich sein).

g( -4 ) = 5( -4 ) +1 = -19 S1( -4 | -19 )

g(0) = 50 +1 = 1 S2(0| 1 )

g( 4 ) = 54 +1 = 21 S3( 4 | 21 )

Termbestimmung mit Punktproben

Beispiel:

Bestimme a und n so, dass die Punkte A(1|-2) und B(-3|-18 ) auf dem Graphen der Funktion f mit f(x)= a · x n liegen.

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Wir setzen einfach die beiden Punkte A(1|-2) und B(-3|-18 ) in den Funktionsterm f(x)= a · x n ein und erhalten so die beiden Gleichungen:

I: -2 = a · 1 n
II: -18 = a · (-3) n

Aus I ergibt sich ja sofort -2 = a. Dies können wir gleich in II einsetzen:

II: -18 = -2 (-3) n | ⋅ ( - 1 2 )

9 = (-3) n

Durch Ausprobieren mit ganzzahligen n erhält man so n=2

Der gesuchte Funktionsterm ist somit: f(x)= -2 x 2

Größenvergleich bei Potenzfunktionen

Beispiel:

Gegeben sind die Funktionen f mit f(x)= x 2 , g mit g(x)= x 3 , h mit h(x)= x 4 .
Sortiere die drei Funktionswerte f(-0.5), -g(-0.5) und h(-0.5), ohne sie wirklich auszurechnen.

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Das Schaubild rechts zeigt jeweils die Graphen von f (in schwarz), g (in blau) und h (in rot).

Zuerst überlegen wir, welche der Funktionswerte positiv und welche negativ sind:

  • f(-0.5) = ( -0,5 ) 2 > 0
  • -g(-0.5) = - ( -0,5 ) 3 > 0
  • h(-0.5) = ( -0,5 ) 4 > 0
  • Da alle Werte positiv sind, schauen wir nur auf die Beträge:

    Und weil 0.5 < 1 ist, werden die Werte mit jeder Potenz immer kleiner. Das sieht man zum einen am Schaubild rechts (f(x)=x2 in schwarz, g(x)=x3 in blau und h(x)=x4 in rot), aber auch direkt an den Zahlen:
    0.53 =0.52 ⋅ 0.5 bzw. 0.54 =0.53 ⋅ 0.5.

    Die richtige Reihenfolge ist also:
    h(-0.5)= ( -0,5 ) 4 < -g(-0.5)= - ( -0,5 ) 3 < f(-0.5)= ( -0,5 ) 2 .

Funktionswerte berechnen

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x)= - x 5 -1 . Berechne den Funktionswert f(-2).

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Wir setzen -2 einfach für x in f(x)= - x 5 -1 ein:

f(-2) = - ( -2 ) 5 -1

= -( -32 ) -1

= 32 -1

= 31