Aufgabenbeispiele von Potenzfunktionen

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Nullstellen berechnen

Beispiel:

Bestimme die Schnittpunkte der Funktion f mit f(x)= x 3 -4x mit der x-Achse.

Lösung einblenden

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

x 3 -4x = 0
x ( x 2 -4 ) = 0

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

1. Fall:

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 +5 ) 2 . Berechne alle Stellen für die gilt: f(x) = 0.

Lösung einblenden

Es gilt f(x) = 0, also ( x -3 ) ( x +5 ) 2 = 0.

( x -3 ) ( x +5 ) 2 = 0
( x +5 ) 2 ( x -3 ) = 0

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

1. Fall:

( x +5 ) 2 = 0 | 2
x +5 = 0
x +5 = 0 | -5
x1 = -5

2. Fall:

x -3 = 0 | +3
x2 = 3

An den Stellen x1 = -5 und x2 = 3 gilt also f(x)= 0.

x-Werte berechnen (schwerer)

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x)= - ( x +5 ) 4 +13 . Berechne alle Stellen für die gilt: f(x) = -3.

Lösung einblenden

Es gilt f(x) = -3, also - ( x +5 ) 4 +13 = -3.

- ( x +5 ) 4 +13 = -3 | -13
- ( x +5 ) 4 = -16 |: ( -1 )
( x +5 ) 4 = 16 | 4

1. Fall

x +5 = - 16 4 = -2
x +5 = -2 | -5
x1 = -7

2. Fall

x +5 = 16 4 = 2
x +5 = 2 | -5
x2 = -3

An den Stellen x1 = -7 und x2 = -3 gilt also f(x)= -3.

Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Berechne die Schnittpunkte der Graphen der Funktionen f und g mit f(x)= -4 x 3 +20 x 2 +53x +2 und g(x)= -3x +2 .

Lösung einblenden

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

-4 x 3 +20 x 2 +53x +2 = -3x +2 | -2
-4 x 3 +20 x 2 +53x = -3x | +3x
-4 x 3 +20 x 2 +53x +3x = 0
-4 x 3 +20 x 2 +56x = 0
4 x ( - x 2 +5x +14 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

- x 2 +5x +14 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

x2,3 = -5 ± 5 2 -4 · ( -1 ) · 14 2( -1 )

x2,3 = -5 ± 25 +56 -2

x2,3 = -5 ± 81 -2

x2 = -5 + 81 -2 = -5 +9 -2 = 4 -2 = -2

x3 = -5 - 81 -2 = -5 -9 -2 = -14 -2 = 7

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "-1 " teilen:

- x 2 +5x +14 = 0 |: -1

x 2 -5x -14 = 0

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( - 5 2 ) 2 - ( -14 ) = 25 4 + 14 = 25 4 + 56 4 = 81 4

x1,2 = 5 2 ± 81 4

x1 = 5 2 - 9 2 = - 4 2 = -2

x2 = 5 2 + 9 2 = 14 2 = 7

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( -2 ) = -3( -2 ) +2 = 8 S1( -2 | 8 )

g(0) = -30 +2 = 2 S2(0| 2 )

g( 7 ) = -37 +2 = -19 S3( 7 | -19 )

Termbestimmung mit Punktproben

Beispiel:

Bestimme a und n so, dass die Punkte A(1| - 1 4 ) und B(3| - 27 4 ) 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| - 1 4 ) und B(3| - 27 4 ) in den Funktionsterm f(x)= a · x n ein und erhalten so die beiden Gleichungen:

I: - 1 4 = a · 1 n
II: - 27 4 = a · 3 n

Aus I ergibt sich ja sofort - 1 4 = a. Dies können wir gleich in II einsetzen:

II: - 27 4 = - 1 4 3 n | ⋅ ( -4 )

27 = 3 n

Durch Ausprobieren mit ganzzahligen n erhält man so n=3

Der gesuchte Funktionsterm ist somit: f(x)= - 1 4 x 3

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(-1.1), g(1.1) und -h(1.1), 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(-1.1) = - ( -1,1 ) 2 < 0
  • g(1.1) = 1,1 3 > 0
  • -h(1.1) = - 1,1 4 < 0
  • Da g(1.1) der einzige positive Funktionswert ist, muss dieser also der größte sein.

    Und weil die anderen beiden Werte negativ sind, schauen wir zunächst nur auf die Beträge:

    Dabei gilt -f(-1.1) > -h(1.1). 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:
    1.14 =1.12 ⋅ 1.1 ⋅ 1.1, d.h. 1.14 > 1.12, also gilt - 1.14 < - 1.12.

    Die richtige Reihenfolge ist also:
    -h(1.1)= - 1,1 4 < -f(-1.1)= - ( -1,1 ) 2 < g(1.1)= 1,1 3 .

Funktionswerte berechnen

Beispiel:

Gegeben ist die Funktion f mit f(x)= x 4 +5 x 3 +7 . Berechne den Funktionswert f(1).

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Wir setzen 1 einfach für x in f(x)= x 4 +5 x 3 +7 ein:

f(1) = 1 4 +5 1 3 +7

= 1 +51 +7

= 1 +5 +7

= 6 +7

= 13