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Ganzrationale Funktionen Lernzettel: Beispiele und Aufgaben zu Monotonie und Änderungsraten

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Ganzrationale Funktionen Lernzettel: Beispiele und Aufgaben zu Monotonie und Änderungsraten
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Luisa Denkert

@luisadenkert_gozq

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Dieser Lernzettel bietet einen umfassenden Überblick über ganzrationale Funktionen und wichtige Konzepte der Analysis für Schüler:

  • Erläutert lineare, quadratische und kubische Funktionen
  • Erklärt Schlüsselbegriffe wie Monotonie, Nullstellen, Extrema und Wendepunkte
  • Behandelt Ableitungen, Integrale und spezielle Funktionen wie e-Funktionen
  • Enthält zahlreiche Beispiele und Formeln zur Veranschaulichung

23.5.2023

9420

Analysis - Lernzettel
Ganzrationale Funktion
f(x) =
"+an-x-t.
f(x) = 2x4-5x³ + 2x²-x+8
y = m.x+n
Lineare Funktion: Geraden
X
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Q(112)

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Monotonie und Nullstellen

Dieser Abschnitt behandelt die Monotonie von Funktionen und die Berechnung von Nullstellen.

Definition: Eine Funktion ist streng monoton steigend, wenn für alle x1 < x2 gilt: f(x1) < f(x2). Sie ist streng monoton fallend, wenn für alle x1 < x2 gilt: f(x1) > f(x2).

Die Monotonie einer Funktion gibt Auskunft über ihr Steigungsverhalten:

  • Streng monoton steigende Funktionen wachsen kontinuierlich
  • Monoton steigende Funktionen können auch Sattelpunkte haben

Beispiel: Die Funktion f(x) = x4 + x² - 6x ist nicht streng monoton, da sie Sattelpunkte aufweist, an denen die Steigung Null ist.

Nullstellen sind die Schnittpunkte einer Funktion mit der x-Achse. Sie werden berechnet, indem man f(x) = 0 setzt.

Beispiel: Für f(x) = x² - 4 ergeben sich die Nullstellen x1 = 2 und x2 = -2.

Der Lernzettel erklärt auch verschiedene Methoden zur Berechnung von Nullstellen:

  • Faktorisierte Form
  • Ausklammern
  • Substitution
  • pq-Formel

Highlight: Die Nullstellen einer Funktion sind oft wichtige Punkte für die Analyse des Funktionsverhaltens und können auf Extremstellen hinweisen.

Analysis - Lernzettel
Ganzrationale Funktion
f(x) =
"+an-x-t.
f(x) = 2x4-5x³ + 2x²-x+8
y = m.x+n
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Extremstellen, Ableitungen und Wendepunkte

Dieser Abschnitt behandelt Extremstellen, Ableitungen und Wendepunkte von Funktionen.

Extremstellen sind Hoch-, Tief- oder Sattelpunkte einer Funktion. Zur Bestimmung von Extremstellen werden folgende Bedingungen verwendet:

  • Notwendige Bedingung: f'(x) = 0
  • Hinreichende Bedingung: f'(x) = 0 und f''(x) ≠ 0

Beispiel: Für f(x) = x² - 3x ergeben sich die Nullstellen x1 = 0 und x2 = 3 durch Ausklammern: x(x-3) = 0.

Ableitungen sind ein zentrales Konzept in der Analysis:

  • Die erste Ableitung f'(x) gibt die Steigungsfunktion an
  • f'(x) > 0 bedeutet, dass die Funktion steigt
  • f'(x) < 0 bedeutet, dass die Funktion fällt

Vocabulary: Die momentane Änderungsrate ist die Steigung an einem bestimmten Punkt und wird durch Einsetzen des x-Wertes in die erste Ableitung berechnet.

Wendepunkte sind Punkte, an denen sich die Krümmung einer Funktion ändert:

  • Notwendige Bedingung: f''(x) = 0
  • Hinreichende Bedingung: f''(x) = 0 und f'''(x) ≠ 0

Highlight: In Anwendungsaufgaben deuten Wörter wie "minimal", "maximal", "am wenigsten" oder "am meisten" oft auf Extremstellen hin, während "stärkste Steigung" auf Wendepunkte hinweisen kann.

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Mittlere Änderungsrate und Integrale

Dieser Abschnitt behandelt die mittlere Änderungsrate und Integrale.

Die mittlere Änderungsrate wird durch den Differenzenquotienten berechnet:

m = (y2 - y1) / (x2 - x1)

Beispiel: Für f(x) = x² und die Punkte P1(2,4) und P2(3,9) ergibt sich die mittlere Änderungsrate: m = (9-4) / (3-2) = 5

Integrale werden verwendet, um Flächeninhalte zu berechnen. Der Lernzettel erklärt zwei Methoden:

  1. Händische Berechnung:

    • Stammfunktion bilden
    • Obere und untere Grenze einsetzen
    • Differenz berechnen
  2. Berechnung mit dem Taschenrechner

Highlight: Bei der Berechnung von Flächen zwischen zwei Graphen muss die Differenz der Integrale gebildet werden: A = ∫(f(x) - g(x))dx

Der Lernzettel weist auch darauf hin, dass bei gemischten Flächen (positiv und negativ) die Bilanz berechnet wird, indem positive und negative Flächen verrechnet werden.

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E-Funktionen und spezielle Ableitungsregeln

Dieser letzte Abschnitt behandelt e-Funktionen und spezielle Ableitungsregeln.

Highlight: E-Funktionen haben die besondere Eigenschaft, dass sie nie null werden.

Für das Ableiten von e-Funktionen gilt:

  • f(x) = e^x → f'(x) = e^x

Der Lernzettel erklärt auch spezielle Ableitungsregeln:

  1. Produktregel: f'(x) = u' · v + u · v'

Beispiel: Für f(x) = x² · (3x² + 2x) ergibt die Produktregel: f'(x) = 2x · (3x² + 2x) + x² · (6x + 2) = 5x⁴ + 4x³

  1. Kettenregel: f'(x) = u'(v(x)) · v'(x)

Beispiel: Für f(x) = (3x² - 4)² ergibt die Kettenregel: f'(x) = 2(3x² - 4) · 6x = 12x(3x² - 4)

Diese Regeln sind besonders nützlich bei komplexeren Funktionen und zusammengesetzten Funktionen.

Vocabulary: Die Kettenregel wird bei zusammengesetzten Funktionen angewendet, während die Produktregel bei Produkten von Funktionen zum Einsatz kommt.

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Ganzrationale Funktionen und Grundlagen der Analysis

Dieser Abschnitt führt in die Grundlagen ganzrationaler Funktionen ein und erläutert wichtige Konzepte der Funktionsanalyse.

Definition: Eine ganzrationale Funktion ist eine Funktion der Form f(x) = anx^n + ... + a1x + a0, wobei n der Grad der Funktion ist und die Koeffizienten reelle Zahlen sind.

Der Lernzettel behandelt verschiedene Typen ganzrationaler Funktionen:

  1. Lineare Funktionen (1. Grad): y = mx + n

    • m ist die Steigung
    • n ist der y-Achsenabschnitt
  2. Quadratische Funktionen (2. Grad): f(x) = ax² + bx + c

    • Normalparabel: f(x) = x²
    • Verschiedene Transformationen werden erklärt (Verschiebung, Streckung, Stauchung)
  3. Kubische Funktionen (3. Grad): f(x) = ax³ + bx² + cx + d

Beispiel: Eine quadratische Funktion f(x) = 2x² + 3x + 1 hat die Form f(x) = ax² + bx + c mit a=2, b=3 und c=1.

Der Lernzettel führt auch wichtige Begriffe zur Funktionsanalyse ein:

  • Nullstellen
  • Extrema
  • Wendestellen
  • Ableitungen

Highlight: Die Symmetrie einer Funktion kann wichtige Hinweise auf ihr Verhalten geben. Achsensymmetrie zur y-Achse liegt vor, wenn f(-x) = f(x), während Punktsymmetrie zum Ursprung gegeben ist, wenn f(-x) = -f(x).

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  • Erläutert lineare, quadratische und kubische Funktionen
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Monotonie und Nullstellen

Dieser Abschnitt behandelt die Monotonie von Funktionen und die Berechnung von Nullstellen.

Definition: Eine Funktion ist streng monoton steigend, wenn für alle x1 < x2 gilt: f(x1) < f(x2). Sie ist streng monoton fallend, wenn für alle x1 < x2 gilt: f(x1) > f(x2).

Die Monotonie einer Funktion gibt Auskunft über ihr Steigungsverhalten:

  • Streng monoton steigende Funktionen wachsen kontinuierlich
  • Monoton steigende Funktionen können auch Sattelpunkte haben

Beispiel: Die Funktion f(x) = x4 + x² - 6x ist nicht streng monoton, da sie Sattelpunkte aufweist, an denen die Steigung Null ist.

Nullstellen sind die Schnittpunkte einer Funktion mit der x-Achse. Sie werden berechnet, indem man f(x) = 0 setzt.

Beispiel: Für f(x) = x² - 4 ergeben sich die Nullstellen x1 = 2 und x2 = -2.

Der Lernzettel erklärt auch verschiedene Methoden zur Berechnung von Nullstellen:

  • Faktorisierte Form
  • Ausklammern
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Highlight: Die Nullstellen einer Funktion sind oft wichtige Punkte für die Analyse des Funktionsverhaltens und können auf Extremstellen hinweisen.

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Extremstellen, Ableitungen und Wendepunkte

Dieser Abschnitt behandelt Extremstellen, Ableitungen und Wendepunkte von Funktionen.

Extremstellen sind Hoch-, Tief- oder Sattelpunkte einer Funktion. Zur Bestimmung von Extremstellen werden folgende Bedingungen verwendet:

  • Notwendige Bedingung: f'(x) = 0
  • Hinreichende Bedingung: f'(x) = 0 und f''(x) ≠ 0

Beispiel: Für f(x) = x² - 3x ergeben sich die Nullstellen x1 = 0 und x2 = 3 durch Ausklammern: x(x-3) = 0.

Ableitungen sind ein zentrales Konzept in der Analysis:

  • Die erste Ableitung f'(x) gibt die Steigungsfunktion an
  • f'(x) > 0 bedeutet, dass die Funktion steigt
  • f'(x) < 0 bedeutet, dass die Funktion fällt

Vocabulary: Die momentane Änderungsrate ist die Steigung an einem bestimmten Punkt und wird durch Einsetzen des x-Wertes in die erste Ableitung berechnet.

Wendepunkte sind Punkte, an denen sich die Krümmung einer Funktion ändert:

  • Notwendige Bedingung: f''(x) = 0
  • Hinreichende Bedingung: f''(x) = 0 und f'''(x) ≠ 0

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Mittlere Änderungsrate und Integrale

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Die mittlere Änderungsrate wird durch den Differenzenquotienten berechnet:

m = (y2 - y1) / (x2 - x1)

Beispiel: Für f(x) = x² und die Punkte P1(2,4) und P2(3,9) ergibt sich die mittlere Änderungsrate: m = (9-4) / (3-2) = 5

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  1. Händische Berechnung:

    • Stammfunktion bilden
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Highlight: Bei der Berechnung von Flächen zwischen zwei Graphen muss die Differenz der Integrale gebildet werden: A = ∫(f(x) - g(x))dx

Der Lernzettel weist auch darauf hin, dass bei gemischten Flächen (positiv und negativ) die Bilanz berechnet wird, indem positive und negative Flächen verrechnet werden.

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E-Funktionen und spezielle Ableitungsregeln

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Für das Ableiten von e-Funktionen gilt:

  • f(x) = e^x → f'(x) = e^x

Der Lernzettel erklärt auch spezielle Ableitungsregeln:

  1. Produktregel: f'(x) = u' · v + u · v'

Beispiel: Für f(x) = x² · (3x² + 2x) ergibt die Produktregel: f'(x) = 2x · (3x² + 2x) + x² · (6x + 2) = 5x⁴ + 4x³

  1. Kettenregel: f'(x) = u'(v(x)) · v'(x)

Beispiel: Für f(x) = (3x² - 4)² ergibt die Kettenregel: f'(x) = 2(3x² - 4) · 6x = 12x(3x² - 4)

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Definition: Eine ganzrationale Funktion ist eine Funktion der Form f(x) = anx^n + ... + a1x + a0, wobei n der Grad der Funktion ist und die Koeffizienten reelle Zahlen sind.

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  1. Lineare Funktionen (1. Grad): y = mx + n

    • m ist die Steigung
    • n ist der y-Achsenabschnitt
  2. Quadratische Funktionen (2. Grad): f(x) = ax² + bx + c

    • Normalparabel: f(x) = x²
    • Verschiedene Transformationen werden erklärt (Verschiebung, Streckung, Stauchung)
  3. Kubische Funktionen (3. Grad): f(x) = ax³ + bx² + cx + d

Beispiel: Eine quadratische Funktion f(x) = 2x² + 3x + 1 hat die Form f(x) = ax² + bx + c mit a=2, b=3 und c=1.

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