Aufgabe 1B
Gegeben ist die Funktionenschar
mit
wobei
und
gilt. Es gilt:
mit
a)
Begründe, dass jeder Graph von
- drei verschiedene Nullstellen hat,
- den Wendepunkt
hat.
(5 BE)
b)
Begründe, dass für jeden Wert von
die Graphen zu
und
im Koordinatenursprung dieselbe Steigung haben.
(2 BE)
c)
Berechne die Werte von
, für die an der Stelle
der Funktionswert
beträgt.
(3 BE)
d)
Die Graphen zu
und
haben im Intervall
genau zwei gemeinsame Punkte. Begründe mithilfe des Krümmungsverhaltens, dass die beiden Graphen im betrachteten Intervall keine weiteren gemeinsamen Punkte haben.
(4 BE)
e)
Betrachtet wird die Tangente an den Graphen von
im Wendepunkt.
Berechne die Werte von
, für die diese Tangente mit den Koordinatenachsen ein gleichschenkliges Dreieck einschließt.
Berechne die Werte von
(4 BE)
f)
Gegeben sind die Punkte
und
.
Untersuche, ob es Werte von
gibt, so dass die Gerade durch die Punkte
und
eine Tangente an den Graphen von
im Punkt
ist.
Begründe, dass der Punkt
auf keiner der Geraden durch die Punkte
und
liegt.
Betrachtet wird jetzt zustätzlich die Funktion Untersuche, ob es Werte von
Begründe, dass der Punkt
(9 BE)
g)
Bestimme die Werte von
, für die der zugehörige Graph von
im Intervall
dieselbe durchschnittliche Steigung hat wie der Graph von
.
(5 BE)
h)
Die Tangente an den Graphen von
im Tiefpunkt schließt mit dem Graphen von
eine Fläche ein. Außerdem schließt der Graph von
mit der
-Achse im Intervall
eine Fläche ein.
Berechne das Verhältnis der Inhalte dieser beiden Flächen.
Berechne das Verhältnis der Inhalte dieser beiden Flächen.
(8 BE)
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a)
Da die Funktionenschar
in der Linearfaktorzerlegung angegeben ist, lassen sich die Nullstellen
und
ablesen. Da
vorausgesetzt ist, sind die drei Nullstellen alle verschieden.
Notwendige Bedingung für Wendestellen überprüfen
Die Stelle
erfüllt die notwendige Bedingung für Wendestellen und zudem hat
den Grad 3.
ist daher eine lineare Funktion, weshalb in der Nullstelle ein Vorzeichenwechsel stattfindet.
Somit handelt es sich um eine Wendestelle.
Die
-Koordinate des Wendepunktes entspricht
Damit lauten die Koordinaten des Wendepunktes
b)
Es gilt:
Also haben
und
an der Stelle
für jeden Wert von
die gleiche Steigung.
c)
d)
Für
gilt:
Daraus folgt, dass im betrachteten Intervall der Graph von
rechtsgekrümmt und der Graph von
linksgekrümmt ist. Damit sich die beiden Graphen nochmals schneiden, müsste sich das Krümmungsverhalten eines Graphen erneut ändern. Somit können sich die beiden Graphen in höchstens zwei Punkten schneiden.
Folglich haben die Graphen
und
keine weiteren gemeinsamen Schnittpunkte im Intervall
e)
f)
Wert von
bestimmen
Die Steigung der Geraden durch
und
lässt sich berechnen durch:


Die Steigung der Tangente an den Graphen von
im Punkt
ist gegeben durch die Ableitung von
in diesem Punkt, also an der Stelle
Die gesuchten Werte von
sind durch die Schnittstellen von
und
gegeben.
Die Lösungen dieser Gleichung ergeben sich mit dem solve-Befehl des Taschenrechners und sind gegeben durch
und
Für diese Werte von
ist die Gerade durch
und
eine Tangente an den Graphen von
im Punkt
Begründung
Die Gleichung der Geraden durch die Punkte
und
ist 
Einsetzen der Koordinaten von
liefert
Umformen nach
liefert den
-Achsenabschnitt in Abhängigkeit von
Der Graph von
ist eine nach unten geöffnete Parabel.
Der Hochpunkt der Parabel ergibt sich aus der graphischen Analyse mit dem Taschenrechner und hat die Koordinaten
Damit lässt sich folgern, dass der
-Achsenabschnitt aller Geraden durch
und
nach oben durch
beschränkt ist.
Damit kann der Punkt
auf keiner dieser Geraden liegen.
g)
Da alle Graphen durch den Ursprung verlaufen, sind die betrachteten Steigungen identisch, wenn
gilt. Daraus folgt:
Die Lösungen dieser Gleichung sind mit dem solve-Befehl des Taschenrechners zu
und
gegeben.
h)
Um das Verhältnis der beiden Flächen zu erhalten, müssen zunächst die beiden einzelnen Flächeninhalte berechnet werden.
Die Koordinaten des Tiefpunktes des Graphen von
ergeben sich mit der graphischen Analyse des Taschenrechners näherungsweise zu
Die Tangentengleichung im Tiefpunkt verläuft parallel zur
-Achse und ergibt sich zu
Der zweite gemeinsame Punkt der Tangente mit dem Graphen von
ergibt sich aus
woraus folgt:
Mit dem solve-Befehl des Taschenrechners ergibt sich
Der Inhalt der Fläche, die von der Tangente und dem Graphen von
eingeschlossen wird, ergibt sich zu:
Mit der graphischen Analyse des Taschenrechners folgt
Der Inhalt der Fläche, die vom Graphen von
und der
-Achse im Intervall
eingeschlossen wird, kann folgendermaßen berechnet werden:


Das Verhältnis ist schließlich gegeben durch
Mit dem solve-Befehl des Taschenrechners ergibt sich