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Aufgabe:

Bestimme eine ganzrationale Funktion vierten Grades, deren Graph folgende Eigenschaften hat:

Der Koordinatenursprung ist Extrempunkt, W(-1/-3) ist Wendepunkt mit der Steigung 5.


Problem/Ansatz:

Bedingungen:

f'(0)=0

f(-1)=-3

f'(-1)=5

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Meine Frage ist nun, wie ich die Gleichungen handschriftlich löse, um Variablen zu erhalten. Also d und e sind = 0, aber wir finde ich a, bin und c raus?

Ich meinte Variable b

Du hast das Gleichungssystem

e = 0
d = 0
a - b + c - d + e = -3
-4a + 3b - 2c + d = 5
12a - 6b + 2c = 0

Setze zunächst e = d = 0 ein und vereinfache

a - b + c = -3
-4a + 3b - 2c = 5
12a - 6b + 2c = 0

Nutze das Additionsverfahren.

Probiere dazu mal die App Photomath. Die hilft sehr anschaulich das zu lösen.

blob.png

a - b + c = -3
-4a + 3b - 2c = 5
12a - 6b + 2c = 0

2*I + II ; III + II

- 2a + b = -1
8a - 3b = 5

4*I + II

b = 1

Jetzt nur noch Rückwärts einsetzen

8a - 3*1 = 5 → a = 1

1 - 1 + c = -3 → c = -3


-4a+3b-2c=512a-6b+2c=0
Mit dem Additionsverfahren komme ich dann auf:
8a-3b=5
Aber was mache ich dann?
Mit dem Additionsverfahren komme ich dann auf:

Du solltest auf 2 Gleichungen kommen

- 2a + b = -1
8a - 3b = 5

Du hast bisher nur eine.

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dir fehlen noch die Bedingungen

f(0) = 0 und

f‘‘(-1) = 0

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Aloha :)

Meiner Meinung nach bringen die ganzen "Rechner" im Internet dem Lernenden so gut wie nichts. In einer Klausur darf man solche Hilfsmittel nicht benutzen und hat dann keine Übung, wie man an solche Aufgaben herangeht. Daher schreibe ich diese Antwort, um den Rechenweg zu erläutern.

Die Gesuchte ist eine ganzrationale Funktion 4-ten Gerades:$$f(x)=ax^4+bx^3+cx^2+dx+e$$$$f'(x)=4ax^3+3bx^2+2cx+d$$$$f''(x)=12ax^2+6bx+2c$$

"Der Koordinatenursprung ist Extrempunkt" bedeutet, dass \(f(x)\) den Punkt \((0;0)\) hat, also:$$0\stackrel{!}{=}f(0)=a\cdot0^4+b\cdot0^3+c\cdot0^2+d\cdot0+e=e\;\;\Rightarrow\;\;\underline{e=0}$$Das Zeichen \(\stackrel{!}{=}\) symbolisiert eine Forderung und kann als "soll sein" gelesen werden.

"Der Koordinatenursprung ist Extrempunkt" bedeutet weiter, dass die erste Ableitung von \(f(x)\) an der Stelle \(0\) ebenfalls \(0\) sein muss:$$0\stackrel{!}{=}f'(0)=4a\cdot0^3+3b\cdot0^2+2c\cdot0+d=d\;\;\Rightarrow\;\;\underline{d=0}$$

"W(-1;-3) ist Wendepunkt mit der Steigung 5." enthält 3 Bedingungen.

(1) Der Punkt \((-1;-3)\) liegt auf der Kurve:$$-3\stackrel{!}{=}f(-1)=a\cdot(-1)^4+b\cdot(-1)^3+c\cdot(-1)^2=a-b+c$$(2) Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt muss erfüllt sein:$$0\stackrel{!}{=}f''(-1)=12a\cdot(-1)^2+6b\cdot(-1)+2c=12a-6b+2c$$(3) Die Steigung an der Stelle \(-1\) ist gleich \(5\):$$5\stackrel{!}{=}4a\cdot(-1)^3+3b\cdot(-1)^2+2c\cdot(-1)=-4a+3b-2c$$Fassen wir alle 3 Gleichungen zusammen:

$$\begin{array}{c}a &-b& +c &=&-3\\12a & -6b & +2c &=&0\\-4a&+3b&-2c&=&5\end{array}$$Wir subtrahieren das 12-fache der Zeile 1 von Zeile 2 und addieren das 4-fache von Zeile 1 zu Zeile 3:

$$\begin{array}{c}a &-b& +c &=&-3\\12a-12a & -6b-12\cdot(-b) & +2c-12c &=&0-12\cdot(-3)\\-4a+4a&+3b+4\cdot(-b)&-2c+4c&=&5+4\cdot(-3)\end{array}$$sodass \(a\) in der ersten Spalte alleine steht:

$$\begin{array}{c}a &-b& +c &=&-3\\0 & +6b & -10c &=&36\\0&-b&2c&=&-7\end{array}$$Wir subtrahieren Zeile 3 von Zeile 1 und addieren das 6-fache von Zeile 3 zu Zeile 2:

$$\begin{array}{c}a-0 &-b-(-b)& +c-2c &=&-3-(-7)\\0+6\cdot0 & +6b+6\cdot(-b) & -10c+12c &=&36+6\cdot(-7)\\0&-b&2c&=&-7\end{array}$$sodass \(b\) in der zweiten Spalte alleine steht:

$$\begin{array}{c}a & +0 & -c &=&4\\0 & +0 & +2c &=&-6\\0&-b&+2c&=&-7\end{array}$$Wir halbieren Zeile 2 und multiplizieren Zeile 3 mit (-1):

$$\begin{array}{c}a & +0 & -c &=&4\\0 & +0 & +c &=&-3\\0&+b&-2c&=&7\end{array}$$Jetzt addieren wir Zeile 2 zu Zeile 1 und das Doppelte von Zeile 2 zu Zeile 3:

$$\begin{array}{c}a+0 & +0+0 & -c+c &=&4+(-3)\\0 & +0 & +c &=&-3\\0+2\cdot0&+b+2\cdot0&-2c+2c&=&7+2\cdot(-3)\end{array}$$sodass \(c\) in der dritten Spalte alleine steht:

$$\begin{array}{c}a & +0 & +0 &=&1\\0 & +0 & +c &=&-3\\0&+b&+0&=&1\end{array}$$Daraus kannst du ablesen: \(a=1\), \(b=1\) und \(c=-3\). Die gesuchte Funktion lautet also:

$$f(x)=x^4+x^3-3x^2$$

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Das sehe ich genauso. Hier einfach einen Verweis auf eine Website zu liefern, die alles automatisch ausrechnet, ist nicht zielführend. Aber das ist eine andere Diskussion.

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