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Anwendungen bei Funktionsgraphen

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42271711
Gegeben ist die Funktion \(f\) mit \(f(x) = \frac{1}{8}x^4 + \frac{3}{2}x^2 + 5x\). 1. Weise mithilfe der zweiten Ableitung und des Grenzwertverhaltens von \(f'\) nach, dass die Funktion \(f\) genau eine Extremstelle besitzt. 2. Bestimme diese Extremstelle mithilfe des Newton-Verfahrens auf drei Dezimalstellen genau. Wähle als Startwert \(x_0 = -1\).

Denkanstöße

- Was sagt das Vorzeichen der zweiten Ableitung über den Verlauf der ersten Ableitung aus? - Wie viele Nullstellen kann eine stetige, streng monotone Funktion höchstens haben? - Überprüfe die Grenzwerte der ersten Ableitung für sehr große und sehr kleine \(x\)-Werte. - Denke an die Formel für das Newton-Verfahren, um Nullstellen einer Funktion zu finden. In diesem Fall suchen wir die Nullstellen von \(f'\).

Lösung

1. Die erste Ableitung lautet \(f'(x) = \frac{1}{2}x^3 + 3x + 5\), die zweite Ableitung \(f''(x) = \frac{3}{2}x^2 + 3\). Da \(x^2 \geq 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\), gilt \(f''(x) \geq 3 > 0\). Somit ist \(f'\) auf ganz \(\mathbb{R}\) streng monoton steigend. Wegen \(\lim_{x \to -\infty} f'(x) = -\infty\) und \(\lim_{x \to \infty} f'(x) = \infty\) folgt aus dem Zwischenwertsatz und der strengen Monotonie, dass \(f'\) genau eine Nullstelle besitzt. Da \(f''(x) > 0\) für alle \(x\), handelt es sich bei dieser Nullstelle um eine lokale Minimalstelle von \(f\). 2. Das Newton-Verfahren zur Bestimmung der Nullstelle von \(f'\) nutzt die Iterationsvorschrift \(x_{n+1} = x_n - \frac{f'(x_n)}{f''(x_n)}\). Mit \(x_0 = -1\): \(x_1 = -1 - \frac{f'(-1)}{f''(-1)} = -1 - \frac{1{,}5}{4{,}5} \approx -1{,}3333\) \(x_2 \approx -1{,}3333 - \frac{f'(-1{,}3333)}{f''(-1{,}3333)} \approx -1{,}3333 - \frac{-0{,}1852}{5{,}6667} \approx -1{,}3006\) \(x_3 \approx -1{,}3006 - \frac{f'(-1{,}3006)}{f''(-1{,}3006)} \approx -1{,}3006 - \frac{-0{,}0019}{5{,}5374} \approx -1{,}3003\) Die Iteration stabilisiert sich bei \(-1{,}300\).

Antwort

Die Funktion \(f\) besitzt genau eine Extremstelle, da \(f'\) aufgrund von \(f''(x) > 0\) streng monoton steigend ist und von \(-\infty\) nach \(\infty\) verläuft. Die Extremstelle liegt näherungsweise bei \(x \approx -1{,}300\).
42272111
Die Funktion \(f\) ist gegeben durch \(f(x) = 0{,}25x^4 - x^3 + 5x\). Bestimme die Stelle \(x^*\) im Intervall \([2; 3]\), an der die Steigung des Graphen von \(f\) genau \(2\) beträgt. Gib den Wert auf zwei Nachkommastellen genau an.

Denkanstöße

- Welche mathematische Operation hilft dir, die Steigung einer Funktion an einer bestimmten Stelle auszudrücken? - Kannst du aus der Bedingung für die Steigung eine Gleichung der Form \(g(x) = 0\) machen? - Welche Verfahren kennst du, um Nullstellen von Funktionen zu finden, die man nicht einfach nach \(x\) auflösen kann? - Probiere systematisch Werte im Intervall aus oder nutze ein Tangentenverfahren.

Lösung

1. Bestimmung der Ableitungsfunktion: \(f'(x) = x^3 - 3x^2 + 5\). 2. Aufstellen der Gleichung für die gesuchte Steigung: \(f'(x) = 2\), woraus sich \(x^3 - 3x^2 + 3 = 0\) ergibt. 3. Anwendung eines Näherungsverfahrens (z. B. Newton-Verfahren oder Intervallschachtelung) im Intervall \([2; 3]\). 4. Startwert für Newton-Verfahren \(x_0 = 2{,}5\): \(x_1 = 2{,}5 - \frac{2{,}5^3 - 3 \cdot 2{,}5^2 + 3}{3 \cdot 2{,}5^2 - 6 \cdot 2{,}5} \approx 2{,}5333\). \(x_2 = 2{,}5333 - \frac{2{,}5333^3 - 3 \cdot 2{,}5333^2 + 3}{3 \cdot 2{,}5333^2 - 6 \cdot 2{,}5333} \approx 2{,}5321\). 5. Die gesuchte Stelle ist \(x^* \approx 2{,}53\).

Antwort

\(x^* \approx 2{,}53\)
42272211
Der Graph der Funktion \(g\) mit \(g(x) = 0{,}2x^5 - 2x^2 + 4\) besitzt im Intervall \([1{,}5; 2{,}5]\) genau eine Stelle \(x^*\), an der die Tangente parallel zur Geraden \(h(x) = 3x - 1\) verläuft. Berechne diese Berührstelle mithilfe eines Näherungsverfahrens auf zwei Dezimalstellen genau.

Denkanstöße

- Was bedeutet es für die Steigung zweier Graphen, wenn diese parallel zueinander verlaufen? - Stelle zuerst die Ableitungsfunktion auf und setze sie mit der gegebenen Steigung gleich. - Wenn du die Gleichung nicht direkt lösen kannst, hilft eine Wertetabelle oder ein Näherungsschritt. - Achte darauf, dass dein Ergebnis im vorgegebenen Intervall liegt.

Lösung

1. Bestimmung der Ableitung von \(g\): \(g'(x) = x^4 - 4x\). 2. Bestimmung der Steigung der Geraden \(h\): \(m = 3\). 3. Gleichsetzen der Steigungen für parallele Tangenten: \(x^4 - 4x = 3\) bzw. \(x^4 - 4x - 3 = 0\). 4. Durchführung eines Näherungsverfahrens im Intervall \([1{,}5; 2{,}5]\). 5. Beispiel Bisection (Intervallhalbierung): \(f(1{,}5) \approx -0{,}94 < 0\); \(f(2{,}5) \approx 26{,}06 > 0\). Mitte \(2{,}0\): \(f(2{,}0) = 5 > 0 \Rightarrow\) Intervall \([1{,}5; 2{,}0]\). Mitte \(1{,}75\): \(f(1{,}75) \approx -0{,}62 < 0 \Rightarrow\) Intervall \([1{,}75; 2{,}0]\). Mitte \(1{,}875\): \(f(1{,}875) \approx 1{,}89 > 0 \Rightarrow\) Intervall \([1{,}75; 1{,}875]\). Fortführung liefert die Annäherung an \(1{,}784\). 6. Ergebnis auf zwei Nachkommastellen: \(x^* \approx 1{,}78\).

Antwort

\(x^* \approx 1{,}78\)
42272311
Die Graphen der Funktionen \(g\) und \(h\) mit \(g(x) = x^3 + x\) und \(h(x) = 6 - x\) schneiden sich an genau einer Stelle \(x^*\). Bestimme einen Näherungswert für \(x^*\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Führe ausgehend vom Startwert \(x_0 = 1{,}5\) zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Bestimme zuerst eine Funktion \(f\), deren Nullstelle die gesuchte \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts ist. - Was muss für die Funktionswerte von \(g\) und \(h\) an der Stelle \(x^*\) gelten? - Erinnere dich an die Iterationsformel des Newton-Verfahrens. - Du benötigst die Ableitungsfunktion von \(f\).

Lösung

1. Definition der Differenzfunktion: \(f(x) = g(x) - h(x) = (x^3 + x) - (6 - x) = x^3 + 2x - 6\). 2. Ableitung bilden: \(f'(x) = 3x^2 + 2\). 3. Erster Iterationsschritt: \(x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)} = 1{,}5 - \frac{1{,}5^3 + 2 \cdot 1{,}5 - 6}{3 \cdot 1{,}5^2 + 2} = 1{,}5 - \frac{0{,}375}{8{,}75} \approx 1{,}4571\). 4. Zweiter Iterationsschritt: \(x_2 = x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} \approx 1{,}4571 - \frac{0{,}00818\ldots}{8{,}369\ldots} \approx 1{,}4562\).

Antwort

Nach zwei Iterationsschritten ergibt sich der Näherungswert \(x_2 \approx 1{,}4562\).
42272411
Gegeben sind die Funktionen \(g: x \mapsto 2x^3\) und \(h: x \mapsto 5 - x\). Die Graphen der beiden Funktionen besitzen genau einen Schnittpunkt. Berechne die \(x\)-Koordinate \(x^*\) dieses Punktes näherungsweise, indem du das Newton-Verfahren mit dem Startwert \(x_0 = 1{,}2\) anwendest. Führe zwei Iterationen durch.

Denkanstöße

- Wie hängen die Schnittpunkte zweier Graphen mit den Nullstellen ihrer Differenzfunktion zusammen? - Stelle die Iterationsvorschrift für das Newton-Verfahren auf. - Achte bei den Zwischenschritten auf eine ausreichende Anzahl an Nachkommastellen.

Lösung

1. Aufstellen der Gleichung für die \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts: \(2x^3 = 5 - x \Rightarrow 2x^3 + x - 5 = 0\). 2. Definition der Hilfsfunktion \(f(x) = 2x^3 + x - 5\) und deren Ableitung \(f'(x) = 6x^2 + 1\). 3. Erster Iterationsschritt: \(x_1 = 1{,}2 - \frac{f(1{,}2)}{f'(1{,}2)} = 1{,}2 - \frac{2 \cdot 1{,}2^3 + 1{,}2 - 5}{6 \cdot 1{,}2^2 + 1} = 1{,}2 - \frac{-0{,}344}{9{,}64} \approx 1{,}2357\). 4. Zweiter Iterationsschritt: \(x_2 = x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} \approx 1{,}2357 - \frac{0{,}0087\ldots}{10{,}141\ldots} \approx 1{,}2348\).

Antwort

Der Näherungswert nach zwei Iterationsschritten lautet \(x_2 \approx 1{,}2348\).
42272511
Die Funktion \(f\) mit \(f(x) = \frac{1}{4}x^4 + x^3 + 3x^2 + x\) besitzt genau eine Extremstelle. Bestimme diese Näherungslösung, indem du zwei Schritte des Newton-Verfahrens mit dem Startwert \(x_0 = 0\) durchführst.

Denkanstöße

- Welche Bedingung muss für eine Extremstelle an der Stelle \(x\) erfüllt sein? - Auf welche Funktion musst du das Newton-Verfahren anwenden, um eine Extremstelle zu finden? - Wie lautet die allgemeine Rekursionsformel des Newton-Verfahrens für eine Funktion \(g(x)\)? - Berechne zuerst die erste und die zweite Ableitung der gegebenen Funktion. - Setze die Werte sorgfältig in die Formel ein und achte auf die Vorzeichen.

Lösung

1. Bestimmung der Ableitungsfunktionen: \(f'(x) = x^3 + 3x^2 + 6x + 1\) und \(f''(x) = 3x^2 + 6x + 6\). 2. Da Extremstellen Nullstellen der ersten Ableitung sind, wird das Newton-Verfahren auf \(f'(x) = 0\) angewendet. Die Iterationsformel lautet: \(x_{n+1} = x_n - \frac{f'(x_n)}{f''(x_n)}\). 3. Erster Schritt mit \(x_0 = 0\): \(f'(0) = 1\), \(f''(0) = 6\). Daraus folgt \(x_1 = 0 - \frac{1}{6} = -\frac{1}{6} \approx -0{,}1667\). 4. Zweiter Schritt mit \(x_1 = -\frac{1}{6}\): \(f'(-\frac{1}{6}) = \frac{17}{216} \approx 0{,}0787\) und \(f''(-\frac{1}{6}) = \frac{61}{12} \approx 5{,}0833\). 5. Berechnung von \(x_2\): \(x_2 = -\frac{1}{6} - \frac{17/216}{61/12} = -\frac{1}{6} - \frac{17}{1098} = -\frac{200}{1098} = -\frac{100}{549} \approx -0{,}1821\).

Antwort

Die Extremstelle liegt nach zwei Schritten näherungsweise bei \(x_2 \approx -0{,}182\).
42272611
Gegeben ist die Funktion \(g\) durch \(g(x) = \frac{1}{2}x^4 - x^3 + 2x^2 - x\). Die Funktion hat genau ein lokales Minimum. Ermittle die Lage dieser Minimalstelle näherungsweise mit dem Newton-Verfahren. Führe ausgehend vom Startwert \(x_0 = 0\) zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Erinnere dich daran, dass Extremstellen dort liegen, wo die Steigung der Funktion null ist. - Das Newton-Verfahren hilft dir, Nullstellen einer Funktion zu finden. Welche Funktion ist hier gemeint? - Stelle die Iterationsvorschrift für die Suche nach der Nullstelle der Ableitung auf. - Achte beim Einsetzen von Dezimalzahlen auf die Genauigkeit oder rechne mit Brüchen.

Lösung

1. Bildung der notwendigen Ableitungen für das Newton-Verfahren zur Bestimmung der Nullstelle von \(g'(x)\): \(g'(x) = 2x^3 - 3x^2 + 4x - 1\) und \(g''(x) = 6x^2 - 6x + 4\). 2. Anwendung der Newton-Formel \(x_{n+1} = x_n - \frac{g'(x_n)}{g''(x_n)}\). 3. Erster Iterationsschritt (\(n=0\)): Mit \(g'(0) = -1\) und \(g''(0) = 4\) ergibt sich \(x_1 = 0 - \frac{-1}{4} = 0{,}25\). 4. Zweiter Iterationsschritt (\(n=1\)): Berechnung der Werte an der Stelle \(x_1 = 0{,}25\): \(g'(0{,}25) = 2 \cdot 0{,}25^3 - 3 \cdot 0{,}25^2 + 4 \cdot 0{,}25 - 1 = -0{,}15625 = -\frac{5}{32}\). 5. Berechnung des zweiten Ableitungswertes: \(g''(0{,}25) = 6 \cdot 0{,}25^2 - 6 \cdot 0{,}25 + 4 = 2{,}875 = \frac{23}{8}\). 6. Berechnung von \(x_2\): \(x_2 = 0{,}25 - \frac{-5/32}{23/8} = 0{,}25 + \frac{5}{92} = \frac{28}{92} = \frac{7}{23} \approx 0{,}3043\).

Antwort

Nach zwei Iterationsschritten ergibt sich für die Minimalstelle der Näherungswert \(x_2 \approx 0{,}304\).
42272911
Gegeben sind die Funktionen \(f\) und \(g\) mit den Funktionstermen \(f(x) = x^3 + 2x + 3\) und \(g(x) = x^2 - 2\). Die Graphen der beiden Funktionen besitzen genau einen Schnittpunkt. Bestimme die \(x\)-Koordinate dieses Schnittpunktes mithilfe des Newton-Verfahrens. Gib das Ergebnis auf drei Dezimalstellen genau an und wähle als Startwert \(x_0 = -1\).

Denkanstöße

- Wann schneiden sich zwei Graphen? Überlege, welche Gleichung du lösen musst. - Wie lautet die allgemeine Formel für das Newton-Verfahren? - Denke daran, die Ableitung der Funktion zu bilden, deren Nullstelle du suchst. - Wiederhole die Berechnung so lange, bis die geforderte Anzahl an Dezimalstellen stabil bleibt.

Lösung

1. Aufstellen der Differenzfunktion \(h(x) = f(x) - g(x) = x^3 - x^2 + 2x + 5\). Ein Schnittpunkt liegt vor, wenn \(h(x) = 0\) gilt. 2. Ableitung der Differenzfunktion bilden: \(h'(x) = 3x^2 - 2x + 2\). 3. Anwendung der Newton-Iterationsformel \(x_{n+1} = x_n - \frac{h(x_n)}{h'(x_n)}\) mit dem Startwert \(x_0 = -1\). 4. Erster Iterationsschritt: \(x_1 = -1 - \frac{h(-1)}{h'(-1)} = -1 - \frac{1}{7} \approx -1{,}142857\). 5. Zweiter Iterationsschritt: \(x_2 \approx -1{,}142857 - \frac{h(-1{,}142857)}{h'(-1{,}142857)} \approx -1{,}142857 - \frac{-0{,}081633}{8{,}204082} \approx -1{,}132907\). 6. Dritter Iterationsschritt: \(x_3 \approx -1{,}132907 - \frac{h(-1{,}132907)}{h'(-1{,}132907)} \approx -1{,}132907 - \frac{-0{,}000570}{8{,}116742} \approx -1{,}132837\). 7. Da sich die ersten drei Dezimalstellen nicht mehr ändern, ist der gesuchte Wert \(x \approx -1{,}133\).

Antwort

Die \(x\)-Koordinate des Schnittpunktes ist \(x \approx -1{,}133\).
42909111
Gegeben ist die ganzrationale Funktion \(f\) mit der Gleichung \(f(x) = x^3 - 4x + 2\). 1. Bestimme die Nullstelle von \(f\), die im Intervall \([0; 1]\) liegt, näherungsweise mit dem Newton-Verfahren. Führe zwei Iterationsschritte mit dem Startwert \(x_0 = 0\) durch. 2. Wende das Newton-Verfahren an, um eine Nullstelle der ersten Ableitung \(f'\) zu bestimmen. Nutze den Startwert \(x_0 = 2\) und führe zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Was ist die allgemeine Formel für das Newton-Verfahren? - Wie gehst du vor, wenn du die Nullstelle einer Ableitungsfunktion suchst? - Achte darauf, für jeden Teilaufgabe die korrekte Funktion und deren jeweilige Ableitung in die Formel einzusetzen. - Welche Werte erhältst du, wenn du deine Ergebnisse in die ursprüngliche Gleichung einsetzt?

Lösung

1. Ableitung bilden: \(f'(x) = 3x^2 - 4\). Newton-Formel: \(x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}\). Erster Schritt: \(x_1 = 0 - \frac{0^3 - 4 \cdot 0 + 2}{3 \cdot 0^2 - 4} = 0 - \frac{2}{-4} = 0{,}5\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 0{,}5 - \frac{0{,}5^3 - 4 \cdot 0{,}5 + 2}{3 \cdot 0{,}5^2 - 4} = 0{,}5 - \frac{0{,}125}{-3{,}25} \approx 0{,}5385\). 2. Erste Ableitung als Funktion betrachten: \(g(x) = f'(x) = 3x^2 - 4\). Ableitung hiervon: \(g'(x) = 6x\). Erster Schritt: \(x_1 = 2 - \frac{3 \cdot 2^2 - 4}{6 \cdot 2} = 2 - \frac{8}{12} \approx 1{,}3333\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 1{,}3333 - \frac{3 \cdot 1{,}3333^2 - 4}{6 \cdot 1{,}3333} \approx 1{,}3333 - \frac{1{,}3333}{8} \approx 1{,}1667\).

Antwort

1. Nach zwei Schritten ergibt sich für die Nullstelle von \(f\) der Näherungswert \(x_2 \approx 0{,}5385\). 2. Für die Nullstelle von \(f'\) ergibt sich nach zwei Schritten der Näherungswert \(x_2 \approx 1{,}1667\).
42909311
Ein quaderförmiger Wasserbehälter hat die Innenmaße \(a = 4\,\text{dm}\), \(b = 5\,\text{dm}\) und \(c = 10\,\text{dm}\). Jede dieser Kanten soll um die gleiche Länge \(x\) (in \(\text{dm}\)) vergrößert werden, damit das neue Fassungsvermögen genau das Dreifache des ursprünglichen Volumens beträgt. 1. Stelle eine Funktionsgleichung für das Volumen \(V(x)\) des vergrößerten Quaders auf. 2. Zeige, dass die Bestimmung von \(x\) auf die Gleichung \(x^3 + 19x^2 + 110x - 400 = 0\) führt. 3. Berechne die notwendige Verlängerung \(x\) mithilfe eines Näherungsverfahrens auf zwei Dezimalstellen genau.

Denkanstöße

- Wie berechnet man das Volumen eines Quaders? - Was bedeutet „das Dreifache des ursprünglichen Volumens“ mathematisch für deine Gleichung? - Erinnere dich an das Newton-Verfahren oder das Intervallhalbierungsverfahren, um Nullstellen zu finden. - Ein guter Startwert für das Näherungsverfahren lässt sich durch systematisches Probieren ganzzahliger Werte finden.

Lösung

1. Das ursprüngliche Volumen beträgt \(V_{alt} = 4 \cdot 5 \cdot 10 = 200\,\text{dm}^3\). Das Zielvolumen ist \(V_{neu} = 3 \cdot 200 = 600\,\text{dm}^3\). Die Funktionsgleichung lautet \(V(x) = (4+x)(5+x)(10+x)\). 2. Durch Ausmultiplizieren erhält man \(V(x) = (x^2 + 9x + 20)(x + 10) = x^3 + 10x^2 + 9x^2 + 90x + 20x + 200\). Gleichsetzen mit dem Zielvolumen: \(x^3 + 19x^2 + 110x + 200 = 600\). Subtraktion von 600 ergibt die Gleichung \(x^3 + 19x^2 + 110x - 400 = 0\). 3. Anwendung eines Näherungsverfahrens, z. B. des Newton-Verfahrens mit \(f(x) = x^3 + 19x^2 + 110x - 400\) und \(f'(x) = 3x^2 + 38x + 110\). Mit dem Startwert \(x_0 = 2\) ergibt sich \(x_1 \approx 2{,}485\) und \(x_2 \approx 2{,}458\). Auf zwei Dezimalstellen gerundet ist \(x \approx 2{,}46\,\text{dm}\).

Antwort

Die notwendige Verlängerung beträgt etwa \(x \approx 2{,}46\,\text{dm}\).
42271811
Betrachte die Funktion \(g(x) = e^x + \frac{1}{2}x^2 - 5x\). 1. Begründe, dass der Graph von \(g\) genau einen Tiefpunkt besitzt. Untersuche dazu die Krümmung der Funktion und das Verhalten von \(g'(x)\) für \(x \to \pm \infty\). 2. Berechne die \(x\)-Koordinate dieses Tiefpunkts mit dem Newton-Verfahren auf zwei Dezimalstellen genau. Nutze den Startwert \(x_0 = 1\).

Denkanstöße

- Erinnere dich daran, dass Extremstellen dort liegen, wo die erste Ableitung Null ist. - Welche Eigenschaft muss die zweite Ableitung haben, damit es sich sicher um einen Tiefpunkt handelt? - Was passiert mit dem Term \(e^x\), wenn \(x\) sehr klein (negativ) oder sehr groß wird? - Achte beim Newton-Verfahren darauf, dass du die Ableitung der Funktion einsetzt, deren Nullstelle du suchst.

Lösung

1. Die Ableitungen sind \(g'(x) = e^x + x - 5\) und \(g''(x) = e^x + 1\). Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), ist \(g''(x) > 1 > 0\). Die Funktion \(g\) ist also überall linksgekrümmt und \(g'\) ist streng monoton steigend. Grenzverhalten von \(g'\): \(\lim_{x \to -\infty} (e^x + x - 5) = -\infty\) (da \(e^x \to 0\) und \(x \to -\infty\)) und \(\lim_{x \to \infty} (e^x + x - 5) = \infty\). Aufgrund der Stetigkeit und strengen Monotonie hat \(g'\) genau eine Nullstelle. Da \(g''(x) > 0\), ist dies die Stelle eines lokalen Minimums. 2. Newton-Verfahren für \(g'(x) = 0\) mit \(x_{n+1} = x_n - \frac{e^{x_n} + x_n - 5}{e^{x_n} + 1}\): \(x_0 = 1\) \(x_1 = 1 - \frac{e^1 + 1 - 5}{e^1 + 1} = 1 - \frac{2{,}718 - 4}{2{,}718 + 1} \approx 1{,}3446\) \(x_2 \approx 1{,}3446 - \frac{e^{1{,}3446} + 1{,}3446 - 5}{e^{1{,}3446} + 1} \approx 1{,}3446 - \frac{0{,}1814}{4{,}8368} \approx 1{,}3071\) \(x_3 \approx 1{,}3071 - \frac{e^{1{,}3071} + 1{,}3071 - 5}{e^{1{,}3071} + 1} \approx 1{,}3071 - \frac{0{,}0026}{4{,}6955} \approx 1{,}3065\) Auf zwei Dezimalen gerundet ergibt sich \(x \approx 1{,}31\).

Antwort

Der Graph hat genau einen Tiefpunkt, da \(g''(x) > 0\) (strenge Monotonie von \(g'\)) und \(g'\) den gesamten Wertebereich \(\mathbb{R}\) abdeckt. Die \(x\)-Koordinate des Tiefpunkts ist \(x \approx 1{,}31\).
42909011
Gegeben sind die Funktionen \(f\) mit \(f(x) = x^4\) und \(g\) mit \(g(x) = 2x + 5\). Berechne mithilfe des Newton-Verfahrens die \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts der beiden Graphen im Bereich \(x > 0\). Gib das Ergebnis auf zwei Stellen nach dem Komma genau an.

Denkanstöße

- Wie hängen die Schnittpunkte zweier Graphen mit den Nullstellen einer neuen Funktion zusammen? - Findest du durch Probieren ganzzahliger Werte ein Intervall, in dem ein Vorzeichenwechsel stattfindet? - Setze deine Ergebnisse immer wieder in die Iterationsformel ein, bis sich die gewünschten Dezimalstellen nicht mehr ändern. - Achte darauf, dass du im Bereich \(x > 0\) bleibst, wie in der Aufgabe gefordert.

Lösung

1. Aufstellen der Differenzfunktion \(h(x) = f(x) - g(x) = x^4 - 2x - 5\). Für einen Schnittpunkt muss \(h(x) = 0\) gelten. 2. Ableitung der Funktion bilden: \(h'(x) = 4x^3 - 2\). 3. Suche nach einem geeigneten Startwert durch Testen von Werten: \(h(1) = -6\) und \(h(2) = 7\). Da ein Vorzeichenwechsel vorliegt, liegt die Nullstelle im Intervall \([1; 2]\). Gewählter Startwert \(x_0 = 1{,}5\). 4. Erste Iteration: \(x_1 = 1{,}5 - \frac{h(1{,}5)}{h'(1{,}5)} = 1{,}5 - \frac{-2{,}9375}{11{,}5} \approx 1{,}7554\). 5. Zweite Iteration: \(x_2 \approx 1{,}7554 - \frac{0{,}9851}{19{,}6378} \approx 1{,}7053\). 6. Dritte Iteration: \(x_3 \approx 1{,}7053 - \frac{0{,}0456}{17{,}8354} \approx 1{,}7027\). 7. Vierte Iteration: \(x_4 \approx 1{,}7027\). Der auf zwei Dezimalstellen genaue Wert ist \(1{,}70\).

Antwort

\(x \approx 1{,}70\)
42909211
Betrachtet wird die Funktion \(g(x) = x^4 - 2x^3 - 2\). 1. Begründe, warum \(g\) im Intervall \([2; 3]\) mindestens eine Nullstelle besitzt. 2. Berechne diese Nullstelle näherungsweise mit dem Newton-Verfahren. Führe zwei Iterationsschritte mit dem Startwert \(x_0 = 2\) durch. 3. Bestimme eine Nullstelle der zweiten Ableitung \(g''\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Wähle den Startwert \(x_0 = 2\) und führe zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Erinnere dich an den Zwischenwertsatz für den Nachweis von Nullstellen. - Wenn du das Newton-Verfahren auf \(g''\) anwendest, welche Funktion bildet dann die Grundlage für die Iterationsformel? - Überprüfe deine Ableitungen sorgfältig, bevor du mit den Berechnungen beginnst. - Runde deine Zwischenergebnisse sinnvoll, um die Genauigkeit zu wahren.

Lösung

1. Die Funktion \(g\) ist als Polynomfunktion stetig. Es gilt \(g(2) = 2^4 - 2 \cdot 2^3 - 2 = 16 - 16 - 2 = -2\) und \(g(3) = 3^4 - 2 \cdot 3^3 - 2 = 81 - 54 - 2 = 25\). Da ein Vorzeichenwechsel vorliegt, muss nach dem Zwischenwertsatz mindestens eine Nullstelle im Intervall existieren. 2. Ableitung: \(g'(x) = 4x^3 - 6x^2\). Erster Schritt: \(x_1 = 2 - \frac{-2}{4 \cdot 8 - 6 \cdot 4} = 2 - \frac{-2}{8} = 2{,}25\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 2{,}25 - \frac{2{,}25^4 - 2 \cdot 2{,}25^3 - 2}{4 \cdot 2{,}25^3 - 6 \cdot 2{,}25^2} \approx 2{,}25 - \frac{0{,}8477}{15{,}1875} \approx 2{,}1942\). 3. Zweite Ableitung: \(h(x) = g''(x) = 12x^2 - 12x\). Ableitung hiervon: \(h'(x) = 24x - 12\). Erster Schritt: \(x_1 = 2 - \frac{12 \cdot 2^2 - 12 \cdot 2}{24 \cdot 2 - 12} = 2 - \frac{24}{36} \approx 1{,}3333\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 1{,}3333 - \frac{12 \cdot 1{,}3333^2 - 12 \cdot 1{,}3333}{24 \cdot 1{,}3333 - 12} = 1{,}3333 - \frac{5{,}3333}{20} \approx 1{,}0667\).

Antwort

1. Da \(g(2) < 0\) und \(g(3) > 0\) gilt und die Funktion stetig ist, existiert nach dem Zwischenwertsatz mindestens eine Nullstelle im Intervall. 2. Die Näherung für die Nullstelle von \(g\) nach zwei Schritten ist \(x_2 \approx 2{,}1942\). 3. Die Näherung für die Nullstelle von \(g''\) nach zwei Schritten ist \(x_2 \approx 1{,}0667\).
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Gegeben ist die Funktion \(f\) mit \(f(x) = x^3\). Gesucht ist die Stelle \(x > 0\), an der der Graph von \(f\) den geringsten Abstand zum Punkt \(P(5|0)\) hat. Die Minimierung des Abstandsquadrats führt auf die Bedingung \(3x^5 + x - 5 = 0\). Berechne diese Stelle \(x\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Führe zwei Iterationsschritte ausgehend vom Startwert \(x_0 = 1\) durch und gib das Ergebnis auf drei Dezimalstellen genau an.

Denkanstöße

- Das Newton-Verfahren nutzt die Formel \(x_{n+1} = x_n - \frac{h(x_n)}{h'(x_n)}\). - Leite die gegebene Gleichung \(h(x) = 0\) korrekt ab, um die Steigung für das Verfahren zu erhalten. - Achte darauf, die Zwischenergebnisse nicht zu früh zu runden, um die Genauigkeit am Ende zu gewährleisten.

Lösung

1. Die Funktion für das Newton-Verfahren ist \(h(x) = 3x^5 + x - 5\) mit der Ableitung \(h'(x) = 15x^4 + 1\). 2. Erster Newton-Schritt mit \(x_0 = 1\): \(h(1) = 3(1)^5 + 1 - 5 = -1\) und \(h'(1) = 15(1)^4 + 1 = 16\). Es folgt \(x_1 = 1 - \frac{-1}{16} = 1{,}0625\). 3. Zweiter Newton-Schritt mit \(x_1 = 1{,}0625\): \(h(1{,}0625) \approx 3 \cdot 1{,}3541 + 1{,}0625 - 5 \approx 0{,}1248\) und \(h'(1{,}0625) \approx 15 \cdot 1{,}2744 + 1 \approx 20{,}116\). Es folgt \(x_2 = 1{,}0625 - \frac{0{,}1248}{20{,}116} \approx 1{,}05629\). 4. Auf drei Dezimalstellen gerundet ergibt sich \(x \approx 1{,}056\).

Antwort

Die gesuchte Stelle liegt bei etwa \(x \approx 1{,}056\).

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