M11 Aufgaben zu Logarithmus- und Exponentialfunktionen: Unterschied zwischen den Versionen

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Buch S. 151 / 4  
 
Buch S. 151 / 4  
  
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b)  Die Tangente in A soll parallel zu einer Geraden h mit Steigung - 0,5 sein. Also ist f'(x<sub>A</sub>) = - 0,5.<br>
 
b)  Die Tangente in A soll parallel zu einer Geraden h mit Steigung - 0,5 sein. Also ist f'(x<sub>A</sub>) = - 0,5.<br>
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<math>- 0,5 = -\frac{1}{2}e^{-\frac{x}{2}} \qquad | \cdot (-2)</math>
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<math>- 0,5 = -\frac{1}{2}e^{-\frac{x}{2}} \qquad | \cdot (-2)</math><br>
 
<math>1 =e^{-\frac{x}{2}} \qquad |logarithmieren</math><br>
 
<math>1 =e^{-\frac{x}{2}} \qquad |logarithmieren</math><br>
 
<math>ln(1) = -\frac{x}{2}</math> ergibt <math>0 = -\frac{x}{2}</math> und <math> x = 0</math>. <br>
 
<math>ln(1) = -\frac{x}{2}</math> ergibt <math>0 = -\frac{x}{2}</math> und <math> x = 0</math>. <br>
 
A(0;1) [[Datei:152-8b 1.jpg|350px]]
 
A(0;1) [[Datei:152-8b 1.jpg|350px]]
  
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Die Tangente in B soll senkrecht zu einer Geraden k mit Steigung -2 sein. Die Tangente in B an G<sub>g</sub> hat dann die Steigung 0,5. Also ist g'(x<sub>B</sub>) = 0,5.<br<sup>>
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Die Tangente in B soll senkrecht zu einer Geraden k mit Steigung -2 sein. Die Tangente in B an G<sub>g</sub> hat dann die Steigung 0,5. Also ist g'(x<sub>B</sub>) = 0,5.<br>
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<math>0,5=\frac{1}{2}e^{x+1} \qquad |\cdot 2</math</sup>>
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Zwei Geraden g<sub>1</sub>: y = m<sub>1</sub>x+t<sub>1</sub> und g<sub>2</sub>: y = m<sub>2</sub>x + t<sub>2</sub> stehen senkrecht zueinander, wenn m<sub>1</sub>· m<sub>2</sub> = -1 ist.
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<math>1=e^{x+1} \qquad |logarithmieren</math>
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<math>0,5=\frac{1}{2}e^{x+1} \qquad |\cdot 2</math><br>
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<math>1=e^{x+1} \qquad |logarithmieren</math><br>
 
<math> 0 = x+1</math> ergibt <math> x = -1</math> <br>
 
<math> 0 = x+1</math> ergibt <math> x = -1</math> <br>
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B(-1;0,5) [[Datei:152-8b 2.jpg|350px]]  }}
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B(-1;0,5) [[Datei:152-8b 2.jpg]]   
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Buch S. 153 / 4
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Buch S. 153 / 14
  
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{{Lösung versteckt|1=Graph 1 gehört zu Funktion f (f ist die einzige Funktion mit D = R<sup>+</sup>.)<br>
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{{Lösung versteckt|1=Graph 1 gehört zu Funktion f (f ist die einzige Funktion mit D = R<sup>+</sup>. Außerdem kann man den Funktionsterm vereinfachen. Es ist f(x) = 2xe<sup>ln(x)</sup>=2x<sup>2</sup> und der Graph ist eine halbe Parabel.)<br>
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Graph 2 gehört zu Funktion d (d hat bei x = 0 eine Polstelle.)<br>
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Graph 2 gehört zu Funktion d (d hat bei x = 0 eine Polstelle. )<br>
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Graph 3 gehört zu Funktion a (e<sup>x</sup> wird um den Faktor 2 in y-Richtung gestreckt, ebenso in x-Richtung, also ist der Verlauf wie bei "e-Funktion" durch (0;2).)<br>
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Graph 3 gehört zu Funktion a (e<sup>x</sup> wird um den Faktor 2 in y-Richtung gestreckt, ebenso in x-Richtung, also ist der Verlauf fast wie bei der "e-Funktion" durch (0;2).)<br>
 
Graph 4 gehört zu Funktion b (-e<sup>x</sup> ist e<sup>x</sup> an der x-Achse gespiegelt und wird um 3 nach oben verschoben.)<br>
 
Graph 4 gehört zu Funktion b (-e<sup>x</sup> ist e<sup>x</sup> an der x-Achse gespiegelt und wird um 3 nach oben verschoben.)<br>
 
Graph 5 gehört zu Funktion c (c ist die einzig verbleibende Funktion mit c(0) = 2.)<br>
 
Graph 5 gehört zu Funktion c (c ist die einzig verbleibende Funktion mit c(0) = 2.)<br>
 
Graph 6 gehört zu Funktion e (e hat als einzige Funktion eine Nullstelle bei x = 1.)  }}
 
Graph 6 gehört zu Funktion e (e hat als einzige Funktion eine Nullstelle bei x = 1.)  }}
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Buch S. 152 / 9
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{{Lösung versteckt|1=Zuerst zeichnet man den Sachverhalt.<br>
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[[Datei:152-9.jpg]]<br>
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Es ist f'(0) = 1, also ist die Steigung m = 1 der Tangente in (P0;1). Die Tangente hat dann die Gleichung y = x + 1. Sie schneidet die x-Achse in A(-1;0). <br>
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Die Normale zur Tangente in P hat dann die Steigung m = -1 und sie hat die Gleichung y = -x +1. Sie schneidet die x-Achse in B(1;0).<br>
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Das Dreieck ABP ist ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieck. Der Winkel bei P ist 90<sup>o</sup>, die Basiswinkel sind jeweils 45<sup>o</sup>. }}
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Buch S. 152 / 12<br>
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<center><ggb_applet height="400" width="600"
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filename="152-12.ggb" /></center>
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{{Lösung versteckt|1=a) Die Koordinaten des Schnittpunkts B liest man gleich aus dem Diagramm ab, da beide Graphen sich bei x = 0 schneiden. Es ist B(0;1).<br>
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Die x-Koordinate von A erhält man durch Lösen der Gleichung <math>e^{0,5x} = 4-3e^{-0,5x} </math>.<br>
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<math>e^{0,5x} = 4-3e^{-0,5x} \qquad |\cdot e^{0,5x}</math><br>
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<math>e^{x} = 4e^{0,5x}-3 \qquad |-4e^{0,5x}+3</math><br>
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<math>e^{x} - 4e^{0,5x}+3 = 0 </math><br>
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Substituiert man <math>w = e^{0,5x}</math>, dann man hat die quadratische Gleilchung <math>w^2 - 4w + 3 = 0 </math> zu lösen. Es ist <math>w^2 - 4w + 3 = (w-1)(w-3) </math> und daher hat die Gleichung <math>w^2 - 4w + 3 = 0 </math> die zwei Lösungen <math>w_1=1, w_2 = 3</math>. Die Lösung <math>w_1=1</math> führt beim Resubstituieren auf <math>0,5x = ln(1)</math>, also <math> x = 0</math>. (Lösung für B!)<br>
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Die zweite Lösung <math>w_2 = 3</math> führt beim Resubstituieren auf <math>0,5x = ln(3)</math> und <math> x = 2\cdot ln(3) = ln(9) \approx 2,19722</math>. Also ist A(ln9; 3).
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b) Es ist S(a; e<sup>0,5a</sup>) und T(a;4-3e<sup>-0,5a</sup>) und die Länge der Strecke [ST] ist <math>\overline {ST} = 4-3e^{-0,5a} - e^{0,5a}</math> (T liegt über S, also ist bei y<sub>T</sub> - y<sub>S</sub> die Differenz positiv).<br>
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Betrachtet man nun die Funktion <math>s:a\rightarrow 4 - 3e^{-0,5a} - e^{0,5a}</math> für <math>a \in [0;ln(9)]</math>, dann muss  man das Maximum von s finden. Dazu setzt man die <math>s'(a)</math> gleich 0 und erhält bei VZW +/- das gesuchte a.<br>
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<math>s'(a)= -3e^{-0,5a}\cdot(-0,5) - e^{0,5a}\cdot 0,5 = 1,5e^{-0,5a} - 0,5e^{0,5a}</math><br>
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<math>1,5e^{-0,5a} - 0,5e^{0,5a}= 0 \qquad |+0,5e^{0,5a}</math>
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<math>1,5e^{-0,5a} = 0,5e^{0,5a} \qquad |\cdot 2</math><br>
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<math>3e^{-0,5a} = e^{0,5a} \qquad |\cdot e^{0,5a}</math><br>
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<math>3 = e^a \qquad |logarithmieren</math> <br>
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<math>a = ln(3) \approx 1,1</math><br>
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Lässt man sich mit GeoGebra die Graphen von s und s' zeichnen, dann hat man dieses Bild:<br>
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[[Datei:152-12b.jpg|350px]]<br>
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und man sieht, dass s' bei a = ln(3) eine VZW +/- hat, also hat s bei a = ln(3) ein Maximum. }}
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Buch S. 154 / 18
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{{Lösung versteckt|1=<math>f: x \rightarrow 9x\cdot e^{-x}</math> mit D = R.<br>
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a) f(0) = 9\cdot 0 \cdot e<sup>0</sup> = 0, also ist (0;0) ein Punkt von G<sub>f</sub>.<br>
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b) Es ist <math>9x\cdot e^{-x}=9\cdot \frac{x}{e^x}</math>  und nach dem Grenzwert in der [http://www.isb.bayern.de/download/13107/merkhilfe_fuer_das_fach_mathematik_standard.pdf Merkhilfe] für r = 1 ist <math>\lim_{x\to \infty}f(x)=\lim_{x\to \infty}9x\cdot e^{-x}=\lim_{x\to\infty} 9\cdot \frac{x}{e^x}=0</math>
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Für den Grenzwert <math>x \to -\infty</math> ist <math>\lim_{x\to -\infty}f(x) =\ </math>" <math>9\cdot(-\infty) \cdot \infty</math> "<math>= -\infty</math>
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c) Es ist <math>f'(x)=9e^{-x}+9x\cdot e^{-x}\cdot(-1)=9e^{-x}(1-x)</math><br>
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Da stets <math>e^{-x} > 0</math> ist, ist <math>f'(x)=0</math> für 1 - x = 0 und x = 1. <br>
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Da y = 1 - x eine fallende Gerade mit Nullstelle x = 1 ist, ist dort der VZW +/- und damit ist bei x = 0 ein Maximum, G<sub>f</sub> hat in (1;<math>\frac{9}{e}</math>) einen Hochpunkt.
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d)<br>
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[[Datei:154-18.jpg|300px]]
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e) Das Bild zu dieser Aufgabe schaut so aus:<br>
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[[Datei:154-18e.jpg|300px]]<br>
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Aufstellen der Gleichung der Tangente:<br>
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<math>f(2) = 18\cdot e^{-2} = \frac{18}{e^2}\approx 2,436</math>. <br>
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<math>f'(2)=9e^{-2}(1-2)=\frac{-9}{e^2}\approx 1,218</math>. <br>
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Ansatz: <math> y = mx + t</math> mit <math>m = \frac{-9}{e^2}</math> und <math>P(2;\frac{18}{e^2}</math> erhält man<br>
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<math> \frac{18}{e^2} = \frac{-9}{e^2}\cdot 2 + t </math><br>
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<math> t = \frac{36}{e^2} \approx 4,872</math><br>
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Die Gleichung der Tangente t ist <math> y=\frac{-9}{e^2}x + \frac{36}{e^2}</math>.
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Der Schnittpunkt mit der y-Achse ist <math>(0;\frac{36}{e^2}</math>), der Schnittpunkt mit der x-Achse ist (4;0)
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Der Flächeninhalt <math>a_1</math> des Dreiecks TIP ist <math>A_1=\frac{1}{2}\cdot 2 \cdot (\frac{36}{e^2} - \frac{18}{e^2})\approx 2,436</math><br>
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Der Flächeninhalt <math>A</math> des Dreiecks OST ist <math>A=\frac{1}{2}\cdot 4\cdot \frac{36}{e^2}\approx 9,744</math><br>
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Das Flächenverhältnis ist <math>\frac{A_1}{A}=\frac{1}{4}</math>, also nimmt die Fläche des Dreicks TIP 25% der Fläche des Dreiecks OST ein.<br>
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Diese Aufgabe hätte man auch leichter mit dem Strahlensatz lösen können. Die "kleine waagrechte Strecke" [IP] hat die Länge 2, die "große waagrechte Strecke" [OS] hat die Länge 4. Daher ist der Faktor 2 und für das Verhältnis "Fläche kleines Dreieck" : "Fläche großes Dreieck" = 1 : 2<sup>2</sup> = 1 : 4. Damit hat man das gleiche Ergebnis.
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f) Die Situation schaut so aus:<br>
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[[Datei:154-18f.jpg|300px]]<br>
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Der Flächeninhalt des Dreiecks OLA ist <math>A(s) = \frac{1}{2}\cdot s \cdot f(s) = \frac{1}{2}\cdot s \cdot 9se^{-s}=\frac{9}{2}\cdot  s^2\cdot e^{-s}</math><br>
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<math>A'(s) = \frac{9}{2}[2se^{-s}+s^2e^{-s}(-1)]=\frac{9}{2}e^{-s}s(2-s)</math>  <br>
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Es ist <math>\frac{9}{2}e^{-s} > 0</math> und <math>s (2-s)=2s-s^2</math> ist der Term einer nach unten geöffneten Parabel mit den Nullstellen 0 und 2. Da die Parabel nach unten geöffnet ist, ist bei s = 0 ein VZW -/+ und bei s = 2 ein VZW +/-. Daher hat A bei x = 2 ein Maximum und es ist <math>A(2) = 18e^{-2}=\frac{18}{e^2}\approx 2,436</math>. }}
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Buch S. 159 / 6
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{{Lösung versteckt|1=<math>f(x) = (1-ln(x))^2</math> D = R<sup>+</sup><br>
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Gemeinsame Punkte mit der x-Achse: <math>(1-ln(x))^2=0</math> ist erfüllt für <math>1=ln(x)</math>, also <math>x=e</math>.<br>
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<math>f'(x)=2(1-ln(x))\cdot (-\frac{1}{x})=\frac{2(ln(x)-1)}{x}</math><br>
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Für x<math>\in</math>R<sup>+</sup> ist der Nenner positiv. Für das Vorzeichen von f' muss man also den Zähler betrachten. <br>
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Für x < e ist ln(x) < 1 und ln(x) - 1 < 0, also ist f'(x) < 0 für x < e und f ist in ]0;e] streng monoton abnehmend. <br>
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Für x > e ist ln(x) > 1 und ln(x) - 1 > 0, also ist f'(x) > 0 für x > e und f ist in ]e;<math>\infty</math>[ streng monoton zunehmend. <br>
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Da x = e die einzige Nullstelle von f' ist und einen VZW -/+ hat ist bei (e;0) ein Minimum und G<sub>f</sub> hat in (e;0) einen Tiefpunkt. <br>
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Die positive y-Achse ist Asymptote für <math>x \to 0</math>.  }}
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Buch S. 160 / 10
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{{Lösung versteckt|1=<math>f(x) = ln(x^2+\frac{1}{4}) - ln(x)</math>, D = R<sup>+</sup><br>
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a) Es ist <math>ln(x^2+\frac{1}{4}) - ln(x)=ln \left ( \frac{x^2 + 0,25}{x} \right )</math><br>
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Gemeinsame Punkte mit der x-Achse erhält man, wenn <math>f(x) = 0 </math> ist. Es ist <math>ln \left (\frac{x^2+0,25}{x} \right )=0</math> für <math>\frac{x^2+0,25}{x} = 1</math>.<br>
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<math>x^2+0,25 = x</math> ist eine quadratische Gleichung.<br>
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<math>x^2 - x + 0,25 = 0</math> ergibt mit der binomischen Formel <math>(x-0,5)^2 = 0</math>, also ist x = 0,5 (doppelte) Nullstelle von f.
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<math>f'(x) = \frac{1}{x^2+0,25} \cdot 2x - \frac{1}{x}=\frac{2x}{x^2+0,25}-\frac{1}{x}=\frac{2x^2 -(x^2+0,25)}{x(x^2+0,25)}=\frac{x^2-0,25}{x(x^2+0,25)}</math><br>
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<math>f'(x) = 0</math> ist <math>\frac{x^2-0,25}{x(x^2+0,25)}=0</math>. Da der Nenner für positive x stets positiv ist, muss man nur den Zähler betrachten. Es ist <math>x^2-0,25=(x+0,5)(x-0,5)</math>. Der Zähler ist 0 für x = - 0,5 und x = 0,5. -0,5 ist nicht in D, also ist <math>f'(x)=0</math> für x = 0,5. <br>
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Es ist <math>f(0,5)=ln(\frac{0,5^2+0,25}{0,5})=ln(1)=0</math><br>
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Der Zähler ist eine nach oben geöffnete Parabel, die bei der rechten Nullstelle einen VZW -/+ hat. (Der Nenner ist positiv!). Daher hat f' bei x = 0,5 einen VZW -/+ und f hat bei x = 0,5 ein Minimum, G<sub>f</sub> bei (0,5;0) einen Tiefpunkt.
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b) <math>\lim_{x\to 0+}[ln(x^2+\frac{1}{4}) - ln(x)]=\infty</math>, da ln(0,25) < 0  und <math>lim_{x\to 0}ln(x)=-\infty</math> ist.<br>
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Die positive y-Achse ist für <math>x \to 0+</math> Asymptote.
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<math>\lim_{x\to \infty}[ln(x^2+\frac{1}{4}) - ln(x)] =\lim_{x\to \infty}ln(\frac{x^2+0,25}{x}=\infty</math>, da der Grad des Zählerpolynoms 2 ist und damit größer als der Grad des Nennerpolynoms. Der Bruch geht für <math>x\to \infty</math> auch gegen <math>\infty</math>.<br>
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Der Graph hat für <math>x\to \infty</math> keine Asymptote.
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<math>\lim_{x\to \infty}[ln(x^2+\frac{1}{4}) - ln(x) -ln(x)]=\lim_{x\to \infty}[ln(x^2+0,25)-2ln(x)=\lim_{x\to \infty}\frac{x^2+0,25}{x^2}=ln(1)=0</math>, da der Grad des Zählerpolynoms gleich dem Grad des Nennerpolynoms ist. Damit geht der Bruch für <math>x\to \infty</math> gegen 1 .<br>
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Die positive x-Achse ist für <math>x\to \infty</math> Asymptote.
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c) <br>
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[[Datei:160-10c.jpg|300px]]
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d) g(x) = ln(x). Wenn im Argument 2x steht, dann wird der Graph von g um den Faktor 2 in x-Richtung gestaucht. <br>
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[[Datei:160-10d.jpg|300px]]<br>
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Den Schnittpunkt von G<sub>h</sub> und G<sub>f</sub> erhält man, wenn man <math>ln(2x) = ln(\frac{x^2+0,25}{x})</math> löst. Wenn die beiden Logarithmen gleich sind, müssen auch ihre Argumente gleich sein und man muss die Gleichung <math>2x = \frac{x^2+0,25}{x}</math> lösen.<br>
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<math>2x = \frac{x^2+0,25}{x} \qquad |\cdot x</math> <br>
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<math>2x^2 = x^2 + 0,25 \qquad |-x^2</math><br>
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<math>x^2 = 0,25</math><br>
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<math>x_{1,2}=\pm 0,5</math><br>
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Da D = R<sup>+</sup> ist, hat man nur die Lösung x = 0,5 und der Schnittpunkt ist (0,5;0) (x = 0,5 ist Nullstelle, was man in a) gezeigt hat!)<br>
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Den Schnittwinkel <math>\varphi</math> erhält man, wenn man <math>tan(\varphi_1)=h'(0,5)</math> und <math>tan(\varphi_2)=f'(0,5)</math> bestimmt und dann <math>\varphi = \varphi_1 - \varphi_2</math> berechnet.<br>
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Es ist <math>h'(x)=\frac{1}{x}</math> , <math>tan(\varphi_1)=h'(0,5)=2</math> und <math>\varphi_1=63,4^o</math>.<br>
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<math>tan(\varphi_2)=f'(0,5)=0</math> und <math>\varphi_2=0^o</math>. <br>
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Also erhält man <math>\varphi = 63,4^o</math>.
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e)<br> [[Datei:160-10e.jpg]]<br>
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Wenn das Trapez um die x-Ache rotiert entsteht ein Zylinder, bei dem rechts ein Kegel herausgeschnitten ist.  Die Grundfläche des Zylinders ist ein Kreis mit Mittelpunkt (0;0) und Radius r = ln(2). Die Höhe des Zylinders ist h = 1, also hat der Zylinder das Volumen <math>V_Z = r^2\pi \cdot h = (ln(2))^2 \pi</math>.<br>
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Der Kegel, der recht herausgenommen wird hat ebenfalls den Radius r = ln(2), aber die Höhe h<sub>K</sub> = 0,5. Sein Volumen ist <math>V_K=\frac{1}{3}(ln(2))^2\cdot 0,5 \cdot \pi=\frac{(ln(2))^2}{6}\cdot \pi</math>.<br>
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Damit hat der Rotationskörper das Volumen <math>V = V_Z - V_K = (ln(2))^2 \cdot \pi- \frac{(ln(2))^2}{6}\cdot \pi=\frac{5(ln(2))^2}{6}\cdot \pi</math>.
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Die Oberfläche des Rotationskörpers setzt sich aus der Grundfläche des Zylinders, seiner Mantelfläche und der Mantelfläche des Kegel zusammen. Es ist <math>G = ((ln(2))^2\pi</math>, <math>M_Z=2r_Z\pi h_Z=2ln(2)\pi</math> und <math>M_K=r_K \pi m=ln(2)\pi\sqrt{(ln(2))^2 + 0,5^2}</math>.<br>
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Damit ist <math>O =  ((ln(2))^2\pi + 2ln(2)\pi + ln(2)\pi\sqrt{(ln(2))^2 + 0,5^2}</math>
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Aktuelle Version vom 20. April 2021, 16:29 Uhr

Buch S. 151 / 4

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