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Aufgabe:

Begründen Sie, dass die Parabel p genau einen Schnittpunkt mit dem Graph f hat.

p(x) = (x-3)^2+2

f(x) = 2·1,5^x

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p(x) = (x - 3)^2 + 2

f(x) = 2·1.5^x

d(x) = f(x) - p(x)

Wenn p(x) und f(x) einen Schnittpunkt haben dann hat d(x) eine Nullstelle. Es geht also um die Anzahl der Nullstellen der Funktion d(x)

Im Intervall ]-∞ ; 3] ist p(x) streng monoton fallend und f(x) streng monoton steigend und damit ist d(x) auch streng monoton steigend.

lim (x → -∞) d(x) = -∞ ; d(3) = 4.75

Damit muss es in diesem Intervall genau einen Schnittpunkt geben.

Im Intervall [3 ; ∞[ ist es etwas schwieriger. Betrachten wir hier aber mal das Verhalten der Steigung mit der 2. Ableitung.

d'(3) = 2.737 ; lim (x → ∞) d'(x) = ∞

d''(x) = 2·LN(1.5)^2·1.5^x - 2 = 0 --> x = LN(1/LN(1.5)^2)/LN(1.5) = 4.453

d'(4.453) = 2.027

Man hat also eine kleinste Steigung von ca. 2.027

Damit ist die Funktion im gesamten Bereich streng monoton steigend und damit kann d(x) im Intervall [3 ; ∞[ keine weitere Nullstelle besitzen.

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Hallo ,

rechnerisch lösen, bedeutet gleichsetzen

p(x) = f (x)          nach x auflösen und dann den y Wert bestimmen

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Das ist hier kein besonders guter Hinweis, denn die Gleichsetzung der beiden Gleichungen ist nicht algebraisch lösbar.

Zudem ist hier nicht nach einer "rechnerischen" Lösung gefragt, sondern nach einer Erläuterung in Richtung Beweisführung. Es soll ja begründet werden, weshalb es nur eine Schnittstelle gibt und nicht ausgerechnet (und dabei womöglich eine Lösung "vergessen" werden).

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Bei der Parabelfunktion handelt es sich um eine nach oben geöffnete Parabel ohne Streckung bzw. Stauchung (a=1), welche um 3 Einheiten in positiver Richtung entlang der Abszisse und um 2 Einheiten in positiver Richtung der Ordinate verschoben ist. Der Scheitelpunkt liegt daher bei S=(3|2).

Betrachtet man den Bereich 0<x<3, so stellt man fest, dass der Graph der Parabel in diesem Bereich streng monoton fallend die Funktionswerte von 11 bis 3 durchläuft, während die Exponentialfunktion streng monoton steigend von 2 bis 27/4 läuft.

Da 2 <11 und (27/4)>3 muss es in diesem Bereich genau einen Kreuzungspunkt geben.

Bei der Betrachtung des steigenden Parabelastes (x>3) verläuft die Steigung des Graphen einer linearen Funktion folgend; am Scheitelpunkt beginnend mit dem Wert Null und von da an ins Positive wachsend, während die Steigung der Exponentialfunktion wiederum einer Exponentialfunktion folgt.

Die Exponentialfunktion zeigt an der Stelle des Scheitelpunktes der Parabel bereits den Wert P(3)=27/4 und liegt damit weit oberhalb des Funktionswertes der Parabel (f(3)=2

Die Steigung der Exponentialfunktion betragt an dieser Stelle p'(3)=2,73689 - während die Steigung der Parabel dort noch Null zeigt.

Die Exponentialfunktion liegt also für alle x >3 von Funktionswert UND Steigung deutlich oberhalb der Parabel und die exponentielle Steigung der Exponentialfunktion wird stets größer sein, als die dem linearen Zusammenhang folgenden Steigung des rechten Parabelastes. Daher kann kein weiterer Schnittpunkt der beiden Funktionen existieren.

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PS:

Die Erläuterung für den Bereich x<0 erspare ich mir hier, müsste aber der Vollständigkeit halber noch hinzugefügt werden.

Die Exponentialfunktion liegt also für alle x >3 von Funktionswert UND Steigung deutlich oberhalb der Parabel 

Dieses "also" ist völlig unbegründet, wie das Gegenbeispiel der Exp.funktion mit leicht veränderter Basis 1,35 (statt 1,5) zeigt.

Eine leicht veränderte Basis führt auch zu leicht veränderten Werten, welche wiederum zu leicht veränderten Schlüssen führen können.

Hier liegt eine konkrete Funktion vor und es ist kein allgemeingültiger Beweis für jegliche Funktionenpaarungen beliebiger Parameter gefordert.


Ich verbessere zur Erhöhung der Verständlichkeit die fragliche Passage:

"Die Exponentialfunktion liegt also für alle ..."

"Diese in der Aufgabenstellung angeführte Exponentialfunktion $$p(x)= 2 \cdot \left(\frac {3}{2} \right)^x $$ liegt also für alle ...

ok-verstehe, was Du meinst - höhere Steigung bei höherem Startwert ist kein Beweis ...

da muss ich nochmal grübeln ...

$$p(x) \gt f(x)$$

und

$$p'(x) \gt f'(x)$$

für alle x>3 vernünftig beweisen also

Ich wiederhole :  Dieses "also" ist unbegründet.

Alle Aussagen die du vorher getroffen hast (und die ja wohl zu dieser Schlussfolgerung führen sollen), treffen eben auch für die Funktion g mit g(x) = 2*1,35^x  zu, aber im Gegensatz zu f hat g drei Schnittpunkte mit p. Die Begründung der Existenz von nur einem Schnittpunkt bleibt also völlig offen.

Du hast recht - ich werd' noch mal drüber schlafen ...

Es gilt p'(x)<f'(x) für alle x∈ℝ. (Das müsste allerdings noch nachgewiesen werden.) Daher kann es für x>3 keinen weiteren Schnittpunkt mehr geben.

Bei einer Basis von 1,35 schneiden sich die Graphen der Ableitungsfunktionen an zwei Stellen, sodass die Exponentialfunktion in dem Intervall flacher als die Parabel verläuft und sie zwei weitere Male schneidet.

Funktionen durchgezogen, Ableitungen gestrichelt.


"Das müsste allerdings noch nachgewiesen werden."

eben ...

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