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- Überlege, welches Symbol innerhalb eines einzelnen Funktionsgraphen die Eingabewerte beschreibt. - Das andere Symbol legt fest, welches Scharmitglied betrachtet wird.

1. Die Funktionsvariable ist \(x\); sie verändert sich innerhalb eines einzelnen Schargraphen. 2. Der Parameter ist \(k\); ein fester Wert von \(k\) bestimmt jeweils ein Scharmitglied \(f_k\).

Variable: \(x\) Parameter: \(k\)

- Welche Variable verändert sich innerhalb eines einzelnen Scharmitglieds? - Wende die Potenzregel auf \(x^2\) an und lasse den festen Faktor stehen.

1. Der Parameter \(a\) wird beim Ableiten nach \(x\) wie eine feste Zahl behandelt. 2. Daher ist \(f_a'(x)=2ax\); die Konstante \(3\) fällt weg.

a) \(a\) wird wie eine Konstante behandelt. b) \(f_a'(x)=2ax\)

- Vergleiche zuerst die Lage der Graphen am Ursprung. - Welche Symmetrie ist bei jedem dargestellten Graphen erkennbar? - Achte anschließend darauf, wie steil oder breit die Parabeln verlaufen.

1. Mit dem Betrag von \(k\) verändert sich die Öffnungsweite der Parabel; das Vorzeichen von \(k\) entscheidet außerdem, ob sie nach oben oder nach unten geöffnet ist. 2. Alle Scharmitglieder gehen durch den Ursprung. 3. Alle Scharmitglieder sind achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse.

Veränderlich: Öffnungsweite und bei Vorzeichenwechsel die Öffnungsrichtung. Invariant: Alle Graphen gehen durch \((0\mid0)\) und sind zur \(y\)-Achse symmetrisch.

- Überlege dir, welche der Variablen als Veränderliche und welche als Konstante zu behandeln ist. - Welche Regeln wendest du an, wenn eine Funktion aus einer Summe von Termen besteht? - Was geschieht beim Ableiten mit Summanden, die gar kein \(x\) enthalten?

1. Anwendung der Potenzregel auf den ersten Term: \(4 \cdot \frac{1}{2k}x^3 = \frac{2}{k}x^3\). 2. Anwendung der Potenzregel auf den zweiten Term: \(-2 \cdot k^2x = -2k^2x\). 3. Ableitung des konstanten Parameters \(7k\) bezüglich \(x\): \(0\). 4. Zusammenfassen der Ergebnisse zur Ableitungsfunktion: \(f_k'(x) = \frac{2}{k}x^3 - 2k^2x\).

\(f_k'(x) = \frac{2}{k}x^3 - 2k^2x\)

- Was sagt die Steigung einer waagerechten Tangente über den Wert der Ableitung an dieser Stelle aus? - Behandle den Parameter \(a\) beim Ableiten wie eine feste Zahl. - Wie gehst du vor, um eine Gleichung nach einer Unbekannten aufzulösen?

1. Bildung der ersten Ableitung unter Anwendung der Potenz- und Faktorregel: \(g_a'(x) = 3ax^2 - 8x + a\). 2. Ansatz für eine waagerechte Tangente an der Stelle \(x = 1\): \(g_a'(1) = 0\). 3. Einsetzen des \(x\)-Wertes in die Ableitungsfunktion: \(3a \cdot 1^2 - 8 \cdot 1 + a = 0\). 4. Zusammenfassen der Terme mit \(a\): \(4a - 8 = 0\). 5. Lösen der linearen Gleichung nach \(a\): \(4a = 8 \implies a = 2\).

a) \(g_a'(x) = 3ax^2 - 8x + a\) b) \(a = 2\)

- Welche Bestandteile bleiben in allen Beispielen einer Teilaufgabe unverändert? - Welche Werte ändern sich systematisch und können daher durch einen Parameter ersetzt werden? - Prüfe bei b), ob sich ein gemeinsamer Ausdruck ausklammern lässt.

1. In a) bleibt \(x^2e^x\) gleich, während nur der additive konstante Term variiert. Eine passende Schar ist daher \(f_a(x)=x^2e^x+a\). 2. In b) gilt \(g_1(x)=2(\sin x+2)\), \(g_2(x)=3(\sin x+2)\) und \(g_3(x)=-0{,}5(\sin x+2)\). Eine passende Schar ist daher \(g_a(x)=a(\sin x+2)\). 3. Aus endlich vielen Beispielen ist eine Funktionenschar nicht eindeutig bestimmt; die angegebenen Terme sind mögliche gemeinsame Verallgemeinerungen.

a) Eine mögliche Schar ist \(f_a(x)=x^2e^x+a\). b) Eine mögliche Schar ist \(g_a(x)=a(\sin x+2)\).

- Wie findet man allgemein den Schnittpunkt eines Graphen mit der vertikalen Achse? - Welches Verfahren eignet sich am besten, um eine quadratische Gleichung mit einem Parameter zu lösen? - Erinnerst du dich an die Regeln für das Ableiten von Potenzfunktionen, wenn ein Parameter als konstanter Faktor oder Summand auftritt?

1. Berechnung des Schnittpunkts mit der \(y\)-Achse durch Einsetzen von \(x = 0\): \(f_k(0) = 0^2 - 4k \cdot 0 + 3k^2 = 3k^2\). Der Schnittpunkt ist \(S_y(0 \mid 3k^2)\). 2. Berechnung der Nullstellen durch Faktorisieren der quadratischen Gleichung: \(x^2 - 4kx + 3k^2 = (x-k)(x-3k)\). Daraus folgen die Nullstellen \(x_1 = k\) und \(x_2 = 3k\). Die Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse sind \(N_1(k \mid 0)\) und \(N_2(3k \mid 0)\). Für \(k=0\) fallen beide Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse und auch der Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse im Ursprung zusammen. 3. Bildung der ersten Ableitung: \(f_k'(x) = 2x - 4k\). 4. Bildung der zweiten Ableitung: \(f_k''(x) = 2\).

a) Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse: \(S_y(0 \mid 3k^2)\); Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse: \(N_1(k \mid 0)\) und \(N_2(3k \mid 0)\). Für \(k=0\) fallen \(N_1\), \(N_2\) und \(S_y\) im Ursprung zusammen. b) \(f_k''(x) = 2\).

- Kannst du den Funktionsterm ausklammern, um die Nullstellen einfacher zu berechnen? - Was bedeutet es für den Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse, wenn eine Nullstelle im Ursprung liegt? - Wie behandelst du den Parameter \(a\), wenn du nach der Variablen \(t\) ableitest?

1. Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse: \(g_a(0) = \frac{1}{3} \cdot 0^3 - a^2 \cdot 0 = 0\). Der Punkt ist \(S_y(0 \mid 0)\). 2. Schnittpunkte mit der \(t\)-Achse (Nullstellen): Ansatz \(g_a(t) = 0 \Rightarrow t \cdot (\frac{1}{3}t^2 - a^2) = 0\). Eine Lösung ist \(t_1 = 0\). Für die Klammer gilt \(\frac{1}{3}t^2 = a^2 \Rightarrow t^2 = 3a^2 \Rightarrow t_{2,3} = \pm \sqrt{3}a\). Die Schnittpunkte sind \(N_1(0 \mid 0)\), \(N_2(\sqrt{3}a \mid 0)\) und \(N_3(-\sqrt{3}a \mid 0)\). 3. Erste Ableitung bilden: \(g_a'(t) = t^2 - a^2\). 4. Zweite Ableitung bilden: \(g_a''(t) = 2t\).

a) Schnittpunkte mit den Achsen: \(S_y(0 \mid 0)\), \(N_1(0 \mid 0)\), \(N_2(\sqrt{3}a \mid 0)\) und \(N_3(-\sqrt{3}a \mid 0)\). b) \(g_a''(t) = 2t\).

- Wie verhalten sich Konstanten ohne \(x\) beim Ableiten? - Welchen Einfluss hat ein Summand am Ende eines Funktionsterms auf die Lage im Koordinatensystem? - Was bedeutet es für den Funktionswert, wenn ein Graph die x-Achse an einer bestimmten Stelle schneidet? - Welchen Wert hat \(e^0\)?

1. Da \(2t\) ein additiver Parameter ist, fällt dieser beim Ableiten nach \(x\) weg. Es gilt: \(g_t'(x) = e^x\). 2. Der Graph von \(g_t\) entsteht durch eine vertikale Verschiebung (Verschiebung in \(y\)-Richtung) des Graphen von \(f(x) = e^x\). Die Verschiebung erfolgt um die Strecke \(2t\). Ist \(t > 0\), wird der Graph nach oben verschoben; ist \(t < 0\), erfolgt die Verschiebung nach unten. 3. Die Bedingung für einen Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse an der Stelle \(x = 0\) (Nullstelle im Ursprung) lautet \(g_t(0) = 0\). Einsetzen ergibt \(e^0 + 2t = 0\). Da \(e^0 = 1\) ist, folgt \(1 + 2t = 0\). Das Lösen der Gleichung nach \(t\) liefert \(2t = -1\) und somit \(t = -0{,}5\).

1. \(g_t'(x) = e^x\) 2. Verschiebung des Graphen von \(f(x) = e^x\) in \(y\)-Richtung um den Wert \(2t\). 3. \(t = -0{,}5\)

- Was bedeutet die geometrische Bedingung einer waagrechten Tangente für den Wert der Ableitungsfunktion? - Welche Ableitungsregel ist für eine Funktion der Form \(u(x) \cdot v(x)\) anzuwenden? - Kannst du den Term der Ableitung vereinfachen, indem du den gemeinsamen Faktor \(e^x\) ausklammerst? - Welche Eigenschaft der Exponentialfunktion hilft dir beim Lösen der Gleichung \((\dots) \cdot e^3 = 0\)?

1. Berechnung der ersten Ableitung \(f_k'\) unter Verwendung der Produktregel: \(f_k'(x) = ke^x + (kx - 1) \cdot e^x = (kx + k - 1) \cdot e^x\). 2. Ansatz für eine waagrechte Tangente an der Stelle \(x = 3\): \(f_k'(3) = 0\). 3. Einsetzen der Stelle in den Term der Ableitung: \((3k + k - 1) \cdot e^3 = (4k - 1) \cdot e^3 = 0\). 4. Da \(e^3 \neq 0\) gilt, muss die Klammer null ergeben: \(4k - 1 = 0\). Daraus folgt \(k = 0{,}25\).

\(k = 0{,}25\)

- Behandle den Parameter \(k\) beim Ableiten wie eine ganz normale Zahl. - Wann genau hat ein Graph eine waagerechte Tangente? Was bedeutet das für den Wert der Ableitung? - Setze nach dem Ableiten den gegebenen \(x\)-Wert ein, um eine Gleichung für \(k\) zu erhalten. - Denke daran, dass die Exponentialfunktion \(e^{\dots}\) niemals null wird.

1. Teilaufgabe a): Ableitung mittels Produktregel. Setze \(u(x) = kx + 2\) mit \(u'(x) = k\) und \(v(x) = e^{-2x}\) mit \(v'(x) = -2e^{-2x}\) (Kettenregel). Die Ableitung lautet \(f_k'(x) = k \cdot e^{-2x} + (kx + 2) \cdot (-2e^{-2x})\). Ausklammern von \(e^{-2x}\) ergibt \(f_k'(x) = (k - 2kx - 4) \cdot e^{-2x} = (-2kx + k - 4) \cdot e^{-2x}\). 2. Teilaufgabe b): Eine waagerechte Tangente bei \(x = 0\) bedeutet \(f_k'(0) = 0\). Einsetzen von \(x = 0\) in die Ableitung: \(f_k'(0) = (-2k \cdot 0 + k - 4) \cdot e^{0} = (k - 4) \cdot 1 = k - 4\). Die Bedingung \(k - 4 = 0\) führt auf \(k = 4\).

a) \(f_k'(x) = (-2kx + k - 4) \cdot e^{-2x}\) b) \(k = 4\)

- Bilde zuerst die allgemeine zweite Ableitungsfunktion \(f''(x)\). - Setze dann den gegebenen \(x\)-Wert in deine Ableitungsfunktion ein. - Stelle eine Gleichung auf, indem du dein Ergebnis mit dem Zielwert gleichsetzt. - Welche Zahl musst du für \(c\) einsetzen, damit die Gleichung stimmt?

1. Erste Ableitung mit der Kettenregel bilden: \(f'(x) = c \cdot 0{,}5 \cdot e^{0{,}5x} = 0{,}5ce^{0{,}5x}\). 2. Zweite Ableitung bilden: \(f''(x) = 0{,}5c \cdot 0{,}5 \cdot e^{0{,}5x} = 0{,}25ce^{0{,}5x}\). 3. Den Wert \(x = 2\) in \(f''(x)\) einsetzen: \(f''(2) = 0{,}25c \cdot e^{0{,}5 \cdot 2} = 0{,}25c \cdot e^1 = 0{,}25ce\). 4. Die Bedingung \(f''(2) = e\) gleichsetzen: \(0{,}25ce = e\). 5. Nach \(c\) auflösen: Da \(e \neq 0\), folgt \(0{,}25c = 1\), woraus sich \(c = 4\) ergibt.

\(c = 4\)

- Wie kannst du die Nullstellen der Funktion \(f_a(x)\) in Abhängigkeit von \(a\) bestimmen? - Welche Rolle spielt der Faktor \(e^{-0{,}5 x}\) für das Vorzeichen und die Nullstellen der Funktion? - Kannst du den Schnittpunkt der Graphen mit der \(y\)-Achse berechnen, indem du \(x = 0\) in die Funktionsgleichung einsetzt? Wie hängt dieser Wert von \(a\) ab? - Vergleiche deine berechneten Nullstellen oder \(y\)-Achsenabschnitte mit den Schnittpunkten in der Abbildung.

1. Da \(e^{-0{,}5x}>0\) für alle \(x\) gilt, ist \(f_a(x)=0\) genau für \(x=a\). Die Nullstelle eines Schargraphen liefert also unmittelbar den Parameterwert. 2. Kurve \(p\) hat die Nullstelle \(x=-2\), also \(a=-2\). 3. Kurve \(q\) hat die Nullstelle \(x=-1\), also \(a=-1\). 4. Kurve \(r\) hat die Nullstelle \(x=1\), also \(a=1\). 5. Kurve \(s\) hat die Nullstelle \(x=2\), also \(a=2\).

Kurve \(p\): \(a=-2\); Kurve \(q\): \(a=-1\); Kurve \(r\): \(a=1\); Kurve \(s\): \(a=2\)

- Kannst du die Funktionsgleichung für eine bestimmte Stelle auswerten, die auf der \(y\)-Achse liegt? - Welcher Wert ergibt sich für \(e^0\)? - Betrachte die Schnittpunkte der Graphen mit der \(y\)-Achse. Wie hängen diese mit dem Parameter \(a\) zusammen? - Wie verändert sich die Steigung einer Exponentialfunktion, wenn der Vorfaktor vergrößert wird? - Welche Ableitungsregeln wendest du an, wenn du eine Funktion mit einem konstanten Faktor und einem konstanten Summanden ableitest?

1. Für den \(y\)-Achsenabschnitt gilt \(f_a(0)=a-2\). Daher ist \(a=y_0+2\). 2. Kurve \(p\) schneidet die \(y\)-Achse bei \(1\), also \(a=3\). Kurve \(q\) schneidet sie bei \(0\), also \(a=2\). Kurve \(r\) schneidet sie bei \(-1\), also \(a=1\). Kurve \(s\) schneidet sie bei \(-1{,}5\), also \(a=0{,}5\). 3. Wird \(a\) größer, steigt der \(y\)-Achsenabschnitt \(a-2\). Außerdem gilt \(f_a'(x)=ae^x\); bei festem \(x\) wächst die positive Steigung proportional mit \(a\). 4. Die Ableitung lautet \(f_a'(x)=ae^x\).

a) Kurve \(p\): \(a=3\); \(q\): \(a=2\); \(r\): \(a=1\); \(s\): \(a=0{,}5\) b) Größeres \(a\) verschiebt den \(y\)-Achsenabschnitt nach oben und vergrößert an jeder festen Stelle die positive Steigung. c) \(f_a'(x)=ae^x\)

- Erinnere dich an den Zusammenhang zwischen dem Faktor im Argument des Sinus und der Periodenlänge. - Wie viele volle Schwingungen siehst du bis zu einer markanten \(x\)-Stelle? - Betrachte auch die erste positive Nullstelle einer Kurve, wenn eine volle Periode nicht vollständig sichtbar ist.

1. Für \(g_k(x)=\sin(kx)\) gilt für die Periodenlänge \(p=\frac{2\pi}{k}\), also \(k=\frac{2\pi}{p}\). 2. Kurve \(u\) beendet eine volle Schwingung bei \(2\pi\). Daher gilt \(p=2\pi\) und \(k=1\). 3. Kurve \(v\) beendet eine volle Schwingung bereits bei \(\pi\). Daher gilt \(p=\pi\) und \(k=2\). 4. Kurve \(w\) hat ihre erste positive Nullstelle bei \(2\pi\); ihre volle Periodenlänge ist \(4\pi\). Daher gilt \(k=0{,}5\).

\(u\): \(k=1\); \(v\): \(k=2\); \(w\): \(k=0{,}5\)

- Welche besonderen Punkte eines Graphen lassen sich oft leicht ablesen, um Parameter zu bestimmen? - Untersuche die Nullstellen der Funktionsgleichung. Eine Nullstelle ist für alle \(k\) gleich. Wo liegt die andere? - Was passiert mit der Lage der Nullstelle, wenn sich \(k\) verändert?

1. Die Nullstellen von \(h_k(x)=x^2(x-k)\) liegen bei \(x=0\) und \(x=k\). 2. Der Parameter \(k\) lässt sich daher an der zweiten Nullstelle ablesen. 3. Kurve \(p\) hat die zweite Nullstelle bei \(x=2\), also gilt \(k=2\). 4. Kurve \(q\) hat die zweite Nullstelle bei \(x=-3\), also gilt \(k=-3\). 5. Kurve \(r\) hat die zweite Nullstelle bei \(x=4\), also gilt \(k=4\).

\(p\): \(k=2\); \(q\): \(k=-3\); \(r\): \(k=4\)

- Setze einen einfachen \(x\)-Wert in die Funktionsgleichung ein, dessen Funktionswert sich gut ablesen lässt. - Welcher Punkt auf der \(y\)-Achse ist für alle Graphen charakteristisch? - Berechne \(j_a(0)\) und vergleiche das Ergebnis mit den Extrempunkten der Kurven.

1. Für \(x=0\) gilt \(j_a(0)=a\). Der Parameter entspricht daher dem Funktionswert auf der \(y\)-Achse. 2. Kurve \(p\) hat dort den Wert \(2\), also gilt \(a=2\). 3. Kurve \(q\) hat dort den Wert \(4\), also gilt \(a=4\). 4. Kurve \(r\) hat dort den Wert \(-1\), also gilt \(a=-1\).

\(p\): \(a=2\); \(q\): \(a=4\); \(r\): \(a=-1\)

- Wie prüfst du rechnerisch, ob ein gegebener Punkt auf einem Schargraphen liegt? - Behandle \(k\) beim Ableiten als Konstante und nutze die Produktregel. - Welche Lösungen kann eine Gleichung der Form \(k^2=c\) besitzen?

1. Es gilt \(f_k(-1)=(-k^2+1)e^{-1}\). Da \(e^{-1}\neq0\), folgt aus \(f_k(-1)=0\) die Gleichung \(k^2=1\). Somit ist \(k=1\) oder \(k=-1\). 2. Mit der Produktregel erhält man \(f_k'(x)=k^2e^x+(k^2x+1)e^x=(k^2x+k^2+1)e^x\). Daher ist \(f_k'(0)=k^2+1\). Aus \(k^2+1=5\) folgt \(k^2=4\) und damit \(k=2\) oder \(k=-2\).

1. \(k=1\) oder \(k=-1\) 2. \(k=2\) oder \(k=-2\)

- Behandle den Parameter \(a\) beim Ableiten wie eine Konstante. - Welche Ableitungsregel gilt für einen Quotienten zweier Funktionen? - Vereinfache den Ableitungsterm, bevor du \(x=0\) einsetzt.

1. Setze \(u(x)=a-x\) und \(v(x)=ax+1\). Dann ist \(u'(x)=-1\) und \(v'(x)=a\). 2. Mit der Quotientenregel gilt \(g_a'(x)=\frac{-(ax+1)-a(a-x)}{(ax+1)^2}\). 3. Der Zähler vereinfacht sich zu \(-ax-1-a^2+ax=-(1+a^2)\). Damit \(g_a'(x)=-\frac{1+a^2}{(ax+1)^2}\). 4. Bei \(x_0=0\) folgt \(g_a'(0)=-(1+a^2)\).

\(g_a'(0)=-(1+a^2)\)

- Frage dich zuerst, welche Größe die Ableitungsvariable und welche nur ein fester Parameter ist. - Prüfe die beiden Summanden getrennt. - Beim Exponentialterm steckt die Ableitungsvariable im Exponenten; beim Polynomterm steht der Parameter als konstanter Faktor davor.

1. Beim Ableiten nach \(x\) wird \(k\) als feste Konstante behandelt. 2. Für den Exponentialterm gilt wegen der inneren Funktion \(kx\): \((e^{kx})'=ke^{kx}\). 3. Für den zweiten Term gilt \((kx^2)'=2kx\). 4. Somit lautet die korrekte Ableitung \(f_k'(x)=ke^{kx}+2kx\). Linh hat in beiden Summanden den konstanten Parameterfaktor \(k\) verloren.

\(k\) ist beim Ableiten nach \(x\) konstant; \(f_k'(x)=ke^{kx}+2kx\).

- Deine Antwort zu a soll zeigen, welche dynamischen Objekte und welche Messgröße du in der Software erzeugt hast. - Vergleiche nicht nur die beiden Koordinaten, sondern die in der Software definierte Differenz ihrer \(x\)-Werte. - Nach der Beobachtung kannst du Nullstelle und stationäre Stelle allgemein bestimmen. - Für die Extremumart ist der Vorzeichenwechsel der Ableitung entscheidend.

1. Eine mögliche Konfiguration verwendet einen Schieberegler \(a\) von \(-2\) bis \(2\) mit Schrittweite \(1\), den dynamischen Graphen \(G_a\), ein Nullstellen-Werkzeug für \(N_a\), ein Extrempunkt-Werkzeug für \(T_a\) und die dynamische Zahl \(d=|x(N_a)-x(T_a)|\). 2. Für \(a=-1\) erhält man \(x(N_a)=-1\), \(x(T_a)=-2\) und \(d=1\). Für \(a=0\) erhält man \(0\), \(-1\) und \(1\). Für \(a=1\) erhält man \(1\), \(0\) und \(1\). Die Vermutung lautet \(d=1\) für alle \(a\). 3. Mit der Produktregel gilt \(g_a'(x)=e^x+(x-a)e^x=e^x(x-a+1)\). Wegen \(e^x>0\) ist die stationäre Stelle \(x_T=a-1\). Die Nullstelle von \(g_a\) liegt bei \(x_N=a\). Damit ist \(d=|a-(a-1)|=1\). 4. Der Faktor \(x-a+1\) wechselt bei \(x=a-1\) von negativ zu positiv. Deshalb wechselt \(g_a'\) dort von negativ zu positiv; \(T_a\) ist stets ein Tiefpunkt.

a) Eine mögliche Konfiguration: Schieberegler \(a\in[-2;2]\) mit Schrittweite \(1\); dynamischer Graph \(G_a\); dynamische Nullstelle \(N_a\); dynamischer Tiefpunkt \(T_a\); angezeigte Messgröße \(d=|x(N_a)-x(T_a)|\). b) \(a=-1\): \((-1,-2,1)\); \(a=0\): \((0,-1,1)\); \(a=1\): \((1,0,1)\), jeweils in der Reihenfolge \(x(N_a),x(T_a),d\). Vermutung: \(d=1\) für alle \(a\). c) \(g_a'(x)=e^x(x-a+1)\), also \(x_T=a-1\) und \(x_N=a\). Damit gilt \(d=1\). d) \(g_a'\) wechselt bei \(x=a-1\) von negativ zu positiv; dort liegt stets ein Tiefpunkt.

- Vergleiche die Positionen der Zahlenwerte in den verschiedenen Funktionstermen. - Tritt derselbe Wert an mehreren Stellen innerhalb eines Terms auf? - Überlege, wie sich die Struktur des Terms verändert, wenn du die festen Zahlen durch einen Buchstaben ersetzt.

1. Bei den Funktionen in Teilaufgabe a fällt auf, dass der Zähler und die Konstante im Nenner stets denselben Wert besitzen (\(1\); \(4\) oder \(0{,}5\)). Setzt man an diesen Positionen den Parameter \(k\) ein, ergibt sich die Schar \(f_k(x) = \frac{k}{x^2 + k}\). 2. In Teilaufgabe b tritt derselbe Zahlenwert an zwei verschiedenen Stellen auf: als Subtrahend in der Klammer und als Faktor im Exponenten (\(1\); \(2\) oder \(0{,}5\)). Durch Ersetzen dieser Werte durch den Parameter \(k\) erhält man den allgemeinen Term \(f_k(x) = (x - k) \cdot e^{kx}\).

a) \(f_k(x) = \frac{k}{x^2 + k}\) b) \(f_k(x) = (x - k) \cdot e^{kx}\)

- Wie lautet die \(x\)-Koordinate eines Punktes auf der \(y\)-Achse? - Welche Ableitungsregel benötigst du für diesen Funktionstyp? - Was ist die notwendige Bedingung für das Vorliegen eines Extrempunktes? - Überlege, wann ein quadratischer Ausdruck keine Nullstellen mit Vorzeichenwechsel besitzt.

1. Der Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse liegt bei \(x = 0\). Einsetzen ergibt \(g_k(0) = (0^2 - k) \cdot e^0 = -k\). 2. Gleichsetzen mit dem gegebenen Wert: \(-k = -5 \implies k = 5\). 3. Zur Bestimmung der Extrempunkte wird die erste Ableitung mithilfe der Produktregel gebildet: \(g_k'(x) = 2x \cdot e^x + (x^2 - k) \cdot e^x = (x^2 + 2x - k) \cdot e^x\). 4. Notwendige Bedingung für Extremstellen ist \(g_k'(x) = 0\). Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), muss der quadratische Term \(x^2 + 2x - k = 0\) sein. 5. Ein Graph besitzt keine Extrempunkte, wenn die Ableitung keinen Vorzeichenwechsel hat. Dies ist bei einer nach oben geöffneten Parabel der Fall, wenn die Diskriminante \(D = 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-k) = 4 + 4k\) kleiner oder gleich null ist. 6. Lösen der Ungleichung: \(4 + 4k \le 0 \implies 4k \le -4 \implies k \le -1\).

a) \(k = 5\) b) \(k \le -1\)

- Setze bei der Verkettung den gesamten Term der inneren Funktion in die äußere Funktion ein. - Bei der anschließenden Scharanalyse wird \(k\) als fester Parameter behandelt. - Für die Lage des Hochpunkts brauchst du eine stationäre Stelle und eine Prüfung ihrer Art. - Die Bedingung \(y=4\) betrifft anschließend nur die \(y\)-Koordinate des Hochpunkts.

1. Es gilt \(h_k(x)=f(g_k(x))=e^{-x^2+k}\). 2. Die erste Ableitung lautet \(h_k'(x)=-2xe^{-x^2+k}\). Da der Exponentialfaktor positiv ist, folgt aus \(h_k'(x)=0\) die einzige stationäre Stelle \(x=0\). 3. Mit \(h_k''(x)=(4x^2-2)e^{-x^2+k}\) gilt \(h_k''(0)=-2e^k<0\). Daher liegt der Hochpunkt bei \(H(0\mid e^k)\). 4. Für einen Hochpunkt auf der Geraden \(y=4\) muss \(e^k=4\) gelten. Somit ist \(k=\ln4\approx1{,}386\).

a) \(h_k(x)=e^{-x^2+k}\) b) \(H(0\mid e^k)\) c) \(k=\ln4\approx1{,}386\)

- Was bedeutet es mathematisch, wenn ein Punkt auf einem Graphen liegt? - Wie berechnet man die Steigung einer Funktion an einer bestimmten Stelle? - Erinnere dich an die Ableitungsregeln für Potenzfunktionen. - Der Ursprung ist der Punkt \((0 \mid 0)\). Welche Information liefert dir das für \(x\)?

1. Punktprobe für \(P(2 \mid 8)\): Die Gleichung \(f_k(2) = 8\) aufstellen: \(2^3 - k \cdot 2^2 + 2 \cdot 2 = 8\). 2. Vereinfachen: \(8 - 4k + 4 = 8 \implies 12 - 4k = 8\). 3. Nach \(k\) auflösen: \(4k = 4 \implies k = 1\). 4. Ableitungsfunktion bilden: \(f_k'(x) = 3x^2 - 2kx + 2\). 5. Steigung im Ursprung (\(x = 0\)) berechnen: \(f_k'(0) = 3 \cdot 0^2 - 2k \cdot 0 + 2 = 2\). 6. Bedingung für Steigung \(11\) an der Stelle \(x = 3\): \(f_k'(3) = 11\) aufstellen. 7. Einsetzen: \(3 \cdot 3^2 - 2k \cdot 3 + 2 = 11 \implies 27 - 6k + 2 = 11\). 8. Nach \(k\) auflösen: \(29 - 6k = 11 \implies 6k = 18 \implies k = 3\).

a) \(k = 1\) b) Die Steigung im Ursprung beträgt \(2\). c) \(k = 3\)

- Überlege dir, welche Koordinaten der Ursprung hat und wie man die Steigung dort findet. - Setze die Koordinaten des gegebenen Punktes in die Funktionsgleichung ein, um den Parameter zu bestimmen. - Die Steigung an einer Stelle \(x\) entspricht dem Wert der ersten Ableitung an dieser Stelle. - Achte darauf, ob das Ergebnis für die Steigung eine feste Zahl ist oder vom Parameter abhängt.

1. Punktprobe für \(P(1 \mid 2)\): Die Gleichung \(g_t(1) = 2\) aufstellen: \(1^3 - 3 \cdot 1^2 + t \cdot 1 = 2\). 2. Vereinfachen und lösen: \(1 - 3 + t = 2 \implies -2 + t = 2 \implies t = 4\). 3. Ableitungsfunktion bestimmen: \(g_t'(x) = 3x^2 - 6x + t\). 4. Steigung im Ursprung (\(x = 0\)) bestimmen: \(g_t'(0) = 3 \cdot 0^2 - 6 \cdot 0 + t = t\). 5. Bedingung für Steigung \(5\) an der Stelle \(x = 2\): \(g_t'(2) = 5\) aufstellen. 6. Einsetzen: \(3 \cdot 2^2 - 6 \cdot 2 + t = 5\). 7. Vereinfachen: \(12 - 12 + t = 5 \implies t = 5\).

a) \(t = 4\) b) Die Steigung im Ursprung ist \(t\). c) \(t = 5\)

- Wie gehst du vor, wenn ein Punkt auf einem Graphen liegen soll? - Welche Bedingungen müssen für ein lokales Maximum an einer bestimmten Stelle erfüllt sein? - Denke beim Ableiten der Funktion im zweiten Teil an die Produktregel und die Kettenregel. - Vergiss nicht zu prüfen, ob es sich tatsächlich um ein Maximum handelt.

1. Zur Bestimmung von \(a\) wird der Punkt \(P(2|10)\) in die Funktionsgleichung eingesetzt: \(10 = a \cdot 2^3 - 5 \cdot 2 + 4\). Dies führt zu \(10 = 8a - 6\) und somit zu \(8a = 16\), woraus \(a = 2\) folgt. 2. Für die notwendige Bedingung eines Extremums von \(g_k\) wird die erste Ableitung gebildet: \(g_k'(x) = -1 \cdot e^{0{,}5x} + (k - x) \cdot 0{,}5 \cdot e^{0{,}5x} = e^{0{,}5x} \cdot (0{,}5k - 0{,}5x - 1)\). 3. Setzen der Bedingung \(g_k'(4) = 0\) ergibt \(e^{2} \cdot (0{,}5k - 0{,}5 \cdot 4 - 1) = 0\). Da \(e^2 \neq 0\), folgt \(0{,}5k - 3 = 0\), also \(k = 6\). 4. Überprüfung der hinreichenden Bedingung mit der zweiten Ableitung \(g_k''(x) = e^{0{,}5x} \cdot (0{,}25k - 0{,}25x - 1)\). Für \(k = 6\) und \(x = 4\) ergibt sich \(g_6''(4) = e^2 \cdot (1{,}5 - 1 - 1) = -0{,}5e^2 < 0\). Somit liegt bei \(x = 4\) ein lokales Maximum vor.

a) \(a = 2\) b) \(k = 6\)

- Welche Ableitungen benötigst du, um Aussagen über Wendestellen zu treffen? - Erinnere dich an die notwendige und die hinreichende Bedingung für Wendepunkte. - Wie kannst du zeigen, dass eine Eigenschaft unabhängig von einem Parameter gilt? - Überlege, was passiert, wenn du für den Parameter \(r\) in der Ableitung einen beliebigen Wert einsetzt.

1. Für die Wendestelle wird die zweite Ableitung benötigt: \(h_r'(x) = 5rx^4 - 15x^2\) und \(h_r''(x) = 20rx^3 - 30x\). 2. Die notwendige Bedingung für eine Wendestelle bei \(x = 1\) lautet \(h_r''(1) = 0\). Einsetzen ergibt \(20r \cdot 1^3 - 30 \cdot 1 = 0\), woraus \(20r = 30\) und somit \(r = 1{,}5\) folgt. 3. Zur Absicherung wird die dritte Ableitung \(h_r'''(x) = 60rx^2 - 30\) betrachtet. Für \(r = 1{,}5\) gilt \(h_{1{,}5}'''(1) = 60 \cdot 1{,}5 - 30 = 60 \neq 0\), was die Wendestelle bestätigt. 4. Für den Nachweis in Aufgabenteil b) wird \(x = 0\) in die zweite Ableitung eingesetzt: \(h_r''(0) = 20r \cdot 0^3 - 30 \cdot 0 = 0\) für alle \(r \in \mathbb{R}\). 5. Die dritte Ableitung an dieser Stelle ist \(h_r'''(0) = 60r \cdot 0^2 - 30 = -30\). Da \(-30 \neq 0\) für alle \(r\) gilt, ist die hinreichende Bedingung für eine Wendestelle an der Stelle \(x = 0\) stets erfüllt.

a) \(r = 1{,}5\) b) Da \(h_r''(0) = 0\) und \(h_r'''(0) = -30 \neq 0\) für alle \(r \in \mathbb{R}\) gilt, liegt bei \(x = 0\) immer eine Wendestelle vor.

- Was passiert mit dem Parameter beim Ableiten nach \(x\)? - Welche Bedingung muss für die Existenz eines Extrempunktes erfüllt sein? - Wie kannst du eine Gleichung der Form \(e^x = c\) nach \(x\) auflösen? - Überlege dir, wie sich der Funktionswert des natürlichen Logarithmus verhält, wenn sein Argument größer wird.

1. Zur Bestimmung der ersten Ableitung wird die Summenregel und die Regel für die Ableitung der Exponentialfunktion angewendet. Da \(k\) ein konstanter Faktor ist, bleibt er erhalten: \(f_k'(x) = ke^x - 1\). 2. Für ein lokales Minimum muss die notwendige Bedingung \(f_k'(x) = 0\) erfüllt sein. Aus \(ke^x - 1 = 0\) folgt \(e^x = \frac{1}{k}\). Durch Anwendung des natürlichen Logarithmus ergibt sich die Stelle \(x_E = \ln\left(\frac{1}{k}\right)\), was umgeformt \(x_E = -\ln(k)\) entspricht. Da die zweite Ableitung \(f_k''(x) = ke^x\) für alle \(x\) und \(k > 0\) positiv ist (\(f_k''(x_E) = k \cdot \frac{1}{k} = 1 > 0\)), liegt an dieser Stelle tatsächlich ein lokales Minimum vor. 3. Betrachtet man \(x_E = -\ln(k)\), so führt eine Vergrößerung von \(k\) dazu, dass der Wert von \(\ln(k)\) steigt. Infolgedessen sinkt der Wert von \(-\ln(k)\). Die Minimalstelle \(x_E\) verschiebt sich also bei steigendem \(k\) auf der \(x\)-Achse nach links (in negative Richtung).

1. \(f_k'(x) = ke^x - 1\) 2. \(x_E = \ln\left(\frac{1}{k}\right) = -\ln(k)\) 3. Die Minimalstelle verschiebt sich nach links (in negative \(x\)-Richtung), da für \(k > 0\) die Funktion \(g(k) = -\ln(k)\) streng monoton fallend ist.

- Welche Information liefert dir ein gegebener Punkt für den Funktionswert an dieser Stelle? - Erinnere dich an den Zusammenhang zwischen der Steigung einer Tangente und der Ableitung der Funktion. - Was bedeutet es für die Steigung zweier Geraden, wenn diese parallel zueinander verlaufen? - Nutze die Produktregel, um die Ableitungsfunktion der Schar zu bestimmen.

1. Aufstellen der Bedingung für den Punkt \(P(0 \mid -3)\): Es muss \(f_{a,b}(0) = -3\) gelten. Einsetzen ergibt \((a \cdot 0 + b) \cdot e^0 = b = -3\). 2. Ableitung der Funktion bilden: Unter Verwendung der Produktregel ergibt sich \(f'_{a,b}(x) = a \cdot e^x + (ax + b) \cdot e^x = (ax + a + b) \cdot e^x\). 3. Aufstellen der Bedingung für die Steigung: Da die Tangente parallel zu \(y = 2x + 7\) sein soll, muss die Steigung \(f'_{a,b}(0) = 2\) betragen. 4. Einsetzen von \(x = 0\) und \(b = -3\) in die Ableitung: \((a \cdot 0 + a - 3) \cdot e^0 = a - 3 = 2\). 5. Lösen nach \(a\): Es folgt \(a = 5\).

\(a = 5\) und \(b = -3\)

- Welche zwei mathematischen Bedingungen kannst du aus den Angaben im Text aufstellen? - Wie leitest du Terme der Form \(e^{kx}\) ab? - Du erhältst ein System aus zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten. Welches Verfahren eignet sich hier am besten zum Lösen?

1. Bedingung für den Punkt \(Q(0 \mid 1)\) nutzen: \(g_{r,s}(0) = 1\) führt zu \(re^0 + se^0 = r + s = 1\). 2. Ableitung der Funktion bestimmen: Mit der Kettenregel für den ersten Term ergibt sich \(g'_{r,s}(x) = 2re^{2x} + se^x\). 3. Bedingung für die Steigung an der Stelle \(x = 0\) nutzen: \(g'_{r,s}(0) = 5\) führt zu \(2re^0 + se^0 = 2r + s = 5\). 4. Lineares Gleichungssystem lösen: Aus \(r + s = 1\) (I) und \(2r + s = 5\) (II) folgt durch Subtraktion (II) - (I) direkt \(r = 4\). 5. Einsetzen von \(r = 4\) in Gleichung (I): \(4 + s = 1 \implies s = -3\).

\(r = 4\) und \(s = -3\)

- Wie lautet die allgemeine Gleichung einer Tangente an einer Stelle \(x_0\)? - Welche Informationen über die Tangente kannst du direkt aus dem Funktionsterm und seiner Ableitung an der Stelle \(x = 0\) gewinnen? - Wenn ein Punkt auf einer Geraden liegt, müssen seine Koordinaten die Geradengleichung erfüllen. - Überlege dir zuerst, wie die Steigung und der y-Achsenabschnitt der Tangente von \(k\) abhängen.

1. Ableitung bestimmen: Unter Anwendung der Ableitungsregel für die Exponentialfunktion und der Summenregel ergibt sich \(f_k'(x) = ke^x - 1\). 2. Punktkoordinaten und Steigung an der Stelle \(x = 0\) berechnen: Es gilt \(f_k(0) = k \cdot e^0 - 0 = k\) und \(f_k'(0) = k \cdot e^0 - 1 = k - 1\). 3. Tangentengleichung aufstellen: Mit der allgemeinen Form \(y = f_k'(x_0)(x - x_0) + f_k(x_0)\) folgt \(y = (k - 1)(x - 0) + k\), vereinfacht \(y = (k - 1)x + k\). 4. Parameter \(k\) bestimmen: Durch Einsetzen der Koordinaten von \(Q(2 \mid 5)\) in die Tangentengleichung erhält man \(5 = (k - 1) \cdot 2 + k\). Auflösen nach \(k\): \(5 = 2k - 2 + k \iff 5 = 3k - 2 \iff 7 = 3k \iff k = \frac{7}{3}\).

a) \(f_k'(x) = ke^x - 1\) b) \(k = \frac{7}{3}\)

- Denke beim Ableiten an die Kettenregel für den Term \(e^{ax}\). - Was bedeutet es für die Koordinaten eines Punktes, wenn er auf der \(x\)-Achse liegt? - Bestimme zuerst die allgemeine Tangentengleichung in Abhängigkeit von \(a\). - Setze die Bedingung für den \(x\)-Achsenabschnitt in deine Tangentengleichung ein, um eine Gleichung für \(a\) zu erhalten.

1. Ableitungsfunktion bestimmen: Mithilfe der Kettenregel ergibt sich \(g_a'(x) = 2ae^{ax}\). 2. Funktionswert und Steigung an der Berührstelle berechnen: Für \(x = 0\) ist \(g_a(0) = 2 \cdot e^0 + 1 = 3\) und \(g_a'(0) = 2a \cdot e^0 = 2a\). 3. Gleichung der Tangente aufstellen: \(y = g_a'(0)x + g_a(0) \implies y = 2ax + 3\). 4. Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse nutzen: Die Tangente soll durch den Punkt \((-1 \mid 0)\) verlaufen. Einsetzen liefert \(0 = 2a \cdot (-1) + 3\). 5. Parameter berechnen: Aus \(0 = -2a + 3\) folgt \(2a = 3\) und somit \(a = 1{,}5\).

a) \(g_a'(x) = 2ae^{ax}\) b) \(a = 1{,}5\)

- Wie lautet die Kettenregel für Exponentialfunktionen mit einem Faktor im Exponenten? - Welche Formel hilft dir, die Gleichung einer Tangente an einer Stelle \(x_0\) aufzustellen? - Was bedeutet eine negative Steigung für das Vorzeichen des Parameters? - Achte beim Lösen von Ungleichungen darauf, was passiert, wenn du mit einer negativen Zahl multiplizierst. - Wie findet man rechnerisch die Nullstelle einer linearen Funktion?

1. Ableitungen bilden: Die erste Ableitung ist \(f'_k(x) = 2ke^{2x}\), die zweite Ableitung \(f''_k(x) = 4ke^{2x}\). Einsetzen von \(x = 0\) ergibt \(f''_k(0) = 4k \cdot e^0 = 4k\). 2. Tangentengleichung aufstellen: Der Berührpunkt ist \((0 \mid f_k(0)) = (0 \mid k - 4)\). Die Steigung ist \(m = f'_k(0) = 2k\). Die Tangente hat die Gleichung \(y = 2kx + k - 4\). 3. Bedingung negative Steigung: Es muss \(2k < 0\) gelten, woraus \(k < 0\) folgt. 4. Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse berechnen: Aus \(0 = 2kx + k - 4\) folgt \(2kx = 4 - k\), also \(x_s = \frac{4 - k}{2k}\). 5. Ungleichung für die \(x\)-Koordinate lösen: Es soll \(\frac{4 - k}{2k} < -1\) gelten. Da \(k < 0\) ist, ist \(2k\) negativ. Multiplikation mit \(2k\) dreht das Ungleichheitszeichen um: \(4 - k > -2k\). Daraus folgt \(4 > -k\) bzw. \(k > -4\). 6. Zusammenführung: Unter Berücksichtigung von \(k < 0\) ergibt sich \(-4 < k < 0\).

a) \(f_k''(0)=4k\) b) \(-4<k<0\)

- Berechne zuerst den \(y\)-Wert und die Steigung an der gegebenen Stelle. - Vereinfache die Tangentengleichung so weit wie möglich, bevor du weiterrechnest. - Welche Bedingung muss für den Parameter gelten, damit die Steigung der Geraden positiv ist? - Wie berechnet man den Schnittpunkt einer Geraden mit der horizontalen Achse? - Kannst du die Bedingung für die \(x\)-Koordinate in eine Ungleichung für den Parameter umwandeln?

1. Funktionswert und Steigung berechnen: \(g_a(1) = a \cdot e^0 + 2 = a + 2\). Die Ableitung ist \(g'_a(x) = ae^{x-1}\), also ist die Steigung an der Stelle \(x = 1\) gerade \(m = g'_a(1) = a \cdot e^0 = a\). 2. Tangentengleichung ermitteln: \(y = a(x - 1) + a + 2\). Vereinfacht ergibt dies \(y = ax - a + a + 2\), also \(y = ax + 2\). 3. Bedingung positive Steigung: Es muss \(a > 0\) gelten. 4. Nullstelle der Tangente berechnen: \(0 = ax + 2 \implies ax = -2 \implies x_s = -\frac{2}{a}\). 5. Ungleichung für die Nullstelle lösen: Es soll \(x_s > -1\) gelten, also \(-\frac{2}{a} > -1\). Da \(a > 0\) vorausgesetzt ist, kann man mit \(a\) multiplizieren, ohne das Zeichen zu drehen: \(-2 > -a\). Durch Multiplikation mit \(-1\) folgt \(2 < a\) bzw. \(a > 2\).

a) Die Tangente hat die Gleichung \(y=ax+2\). b) \(a>2\)

- Welche Ableitungsregeln musst du anwenden, wenn Funktionen addiert oder multipliziert werden? - Denke bei der Exponentialfunktion an die innere und äußere Ableitung. - Es ist oft hilfreich, den Term \(e^x\) am Ende wieder auszuklammern, um die Übersicht für die nächste Ableitung zu behalten. - Behandle den Parameter beim Ableiten wie eine konstante Zahl.

1. Für \(f_k(x)\): Anwendung der Kettenregel auf beide Summanden ergibt \(f_k'(x) = 2ke^{2x} - ke^{-kx}\). Erneutes Ableiten liefert \(f_k''(x) = 4ke^{2x} + k^2e^{-kx}\). 2. Für \(h_a(x)\): Anwendung der Produktregel mit \(u(x) = x^2 - a\) und \(v(x) = e^x\) ergibt \(h_a'(x) = 2x \cdot e^x + (x^2 - a) \cdot e^x = (x^2 + 2x - a) \cdot e^x\). Erneutes Ableiten mit der Produktregel führt zu \(h_a''(x) = (2x + 2) \cdot e^x + (x^2 + 2x - a) \cdot e^x = (x^2 + 4x + 2 - a) \cdot e^x\).

a) \(f_k'(x) = 2ke^{2x} - ke^{-kx}\) und \(f_k''(x) = 4ke^{2x} + k^2e^{-kx}\) b) \(h_a'(x) = (x^2 + 2x - a) e^x\) und \(h_a''(x) = (x^2 + 4x + 2 - a) e^x\)

- Was bedeutet es für die Steigung einer Funktion, wenn die Tangente parallel zur \(x\)-Achse liegt? - Nutze die Produktregel und achte beim Ableiten von \(e^{tx}\) auf die Kettenregel. - Kann die Exponentialfunktion jemals den Wert Null annehmen? Was bedeutet das für das Lösen der Gleichung? - Versuche, den Faktor \(e^{tx}\) nach dem Ableiten direkt wieder auszuklammern.

1. Erste Ableitung: Anwendung der Produkt- und Kettenregel. Mit \(u = t - x\) (\(u' = -1\)) und \(v = e^{tx}\) (\(v' = t \cdot e^{tx}\)) folgt: \(g_t'(x) = -1 \cdot e^{tx} + (t - x) \cdot t \cdot e^{tx} = (t^2 - tx - 1) \cdot e^{tx}\). 2. Zweite Ableitung: Erneute Anwendung der Produktregel auf \(g_t'(x)\) mit \(u = t^2 - tx - 1\) (\(u' = -t\)) ergibt: \(g_t''(x) = -t \cdot e^{tx} + (t^2 - tx - 1) \cdot t \cdot e^{tx} = (t^3 - t^2x - 2t) \cdot e^{tx}\). 3. Tangente parallel zur \(x\)-Achse: Bedingung \(g_t'(x) = 0\). Da \(e^{tx} > 0\) für alle \(x\), muss \(t^2 - tx - 1 = 0\) gelten. Umstellen nach \(x\) liefert \(tx = t^2 - 1\), also \(x = \frac{t^2 - 1}{t} = t - \frac{1}{t}\).

a) \(g_t'(x) = (t^2 - tx - 1) e^{tx}\) und \(g_t''(x) = (t^3 - t^2x - 2t) e^{tx}\) b) \(x = t - \frac{1}{t}\)

- Was bedeutet es mathematisch, wenn ein Punkt auf einem Graphen liegt? - Welche Ableitungsregel ist bei einem Produkt aus einer linearen Funktion und der \(e\)-Funktion hilfreich? - Wie gehst du vor, wenn du einen Wert an einer bestimmten Stelle der zweiten Ableitung berechnen sollst?

1. Einsetzen der Koordinaten von \(P(1 \mid 5e)\) in die Funktionsgleichung: \(f_k(1) = (k \cdot 1 + 4) \cdot e^1 = (k + 4)e\). Gleichsetzen mit dem Funktionswert: \((k + 4)e = 5e \implies k + 4 = 5 \implies k = 1\). 2. Bildung der Ableitungen mittels Produktregel: \(f_k'(x) = ke^x + (kx + 4) \cdot e^x = (kx + k + 4) \cdot e^x\). Die zweite Ableitung lautet \(f_k''(x) = ke^x + (kx + k + 4) \cdot e^x = (kx + 2k + 4) \cdot e^x\). Einsetzen von \(x = 0\): \(f_k''(0) = (0 + 2k + 4) \cdot e^0 = 2k + 4\). Gleichsetzen mit der Bedingung: \(2k + 4 = 2 \implies 2k = -2 \implies k = -1\).

1. \(k = 1\) 2. \(k = -1\)

- In Teil 1 genügt das Einsetzen des gegebenen Punktes. - Für Teil 2 brauchst du tatsächlich die zweite Ableitung der Schar. - Löse die beiden entstehenden Parameterbedingungen getrennt; sie müssen nicht dieselbe Lösungsmenge besitzen.

1. Aus \(g_a(0)=-a^2=-9\) folgt \(a^2=9\), also \(a=3\) oder \(a=-3\). 2. Mit der Produktregel gilt \(g_a'(x)=(x^2+2x-a^2)e^x\). 3. Nochmals ableiten ergibt \(g_a''(x)=(x^2+4x+2-a^2)e^x\). 4. Daher ist \(g_a''(0)=2-a^2\). Aus \(2-a^2=-2\) folgt \(a^2=4\), also \(a=2\) oder \(a=-2\).

1. \(a=3\) oder \(a=-3\) 2. \(a=2\) oder \(a=-2\)

- Wie hängen die Steigung eines Graphen und die erste Ableitung zusammen? - Welche Regeln musst du kombinieren, um den Term \(x^2 \cdot e^{ax}\) abzuleiten? - Setze den gegebenen x-Wert in deine Ableitung ein und vergleiche das Ergebnis mit dem Zielwert. - Gibt es einen Faktor in deiner Gleichung, der niemals null wird und durch den du teilen kannst?

1. Bestimmung der ersten Ableitungsfunktion \(g_a'\) mithilfe der Produkt- und Kettenregel: \(g_a'(x) = 2x \cdot e^{ax} + x^2 \cdot a \cdot e^{ax} = (ax^2 + 2x) \cdot e^{ax}\). 2. Aufstellen der Bedingungsgleichung für die Steigung an der Stelle \(x = 1\): \(g_a'(1) = e^a\). 3. Einsetzen von \(x = 1\) in den Ableitungsterm: \((a \cdot 1^2 + 2 \cdot 1) \cdot e^{a \cdot 1} = (a + 2) \cdot e^a\). 4. Lösen der Gleichung \((a + 2) \cdot e^a = e^a\): Da \(e^a\) für alle \(a\) ungleich null ist, kann durch \(e^a\) dividiert werden. Es ergibt sich \(a + 2 = 1\), woraus \(a = -1\) folgt.

\(a = -1\)

- Welche mathematische Operation hilft dir dabei, die Steigung einer Funktion an einer bestimmten Stelle zu berechnen? - Wie kannst du die Information, dass ein Punkt auf dem Graphen liegt, in eine mathematische Gleichung übersetzen? - Du hast zwei Unbekannte. Wie viele Gleichungen benötigst du, um diese eindeutig zu bestimmen? - Versuche, einen Teil einer Gleichung durch den Wert aus der anderen Gleichung zu ersetzen, um die Rechnung zu vereinfachen.

1. Aufstellen der Punktbedingung: Aus \(f_{a,b}(1) = e^2\) folgt die Gleichung \(a \cdot e^{b \cdot 1^2} = ae^b = e^2\). 2. Bilden der ersten Ableitung mit der Kettenregel: \(f_{a,b}'(x) = a \cdot e^{bx^2} \cdot 2bx = 2abx \cdot e^{bx^2}\). 3. Aufstellen der Steigungsbedingung im Punkt \(P\): \(f_{a,b}'(1) = 2ab \cdot e^b = 4e^2\). 4. Substituieren der ersten Gleichung (\(a e^b = e^2\)) in die zweite Gleichung: \(2b \cdot (a e^b) = 2b \cdot e^2 = 4e^2\). 5. Lösen nach \(b\): Durch Division durch \(2e^2\) ergibt sich \(b = 2\). 6. Bestimmen von \(a\): Einsetzen von \(b=2\) in \(a e^b = e^2\) liefert \(ae^2 = e^2\), woraus \(a = 1\) folgt.

Die Parameterwerte lauten \(a = 1\) und \(b = 2\).

- Wie gehst du vor, um Extrempunkte einer Funktion zu bestimmen? - Erinnere dich an die Produktregel und die Kettenregel beim Ableiten. - Welche Eigenschaft hat die Exponentialfunktion \(e^{x}\) bezüglich ihrer Nullstellen? - Wie setzt man die Bedingung um, dass ein Punkt auf einer waagerechten Geraden liegt?

1. Ableitungen bilden: \(f_a'(x) = -e^{0{,}5x} + (a - x) \cdot 0{,}5 e^{0{,}5x} = (0{,}5a - 1 - 0{,}5x) \cdot e^{0{,}5x}\) und \(f_a''(x) = -0{,}5 e^{0{,}5x} + (0{,}5a - 1 - 0{,}5x) \cdot 0{,}5 e^{0{,}5x} = (0{,}25a - 1 - 0{,}25x) \cdot e^{0{,}5x}\). 2. Notwendige Bedingung \(f_a'(x) = 0\): Da \(e^{0{,}5x} > 0\), folgt \(0{,}5a - 1 - 0{,}5x = 0\), woraus \(x = a - 2\) resultiert. 3. Hinreichende Bedingung prüfen: \(f_a''(a - 2) = (0{,}25a - 1 - 0{,}25(a - 2)) \cdot e^{0{,}5(a - 2)} = -0{,}5 \cdot e^{0{,}5a - 1}\). Da dieser Ausdruck für alle \(a\) negativ ist, liegt ein Hochpunkt vor. 4. \(y\)-Koordinate berechnen: \(f_a(a - 2) = (a - (a - 2)) \cdot e^{0{,}5(a - 2)} = 2 \cdot e^{0{,}5a - 1}\). Der Hochpunkt ist \(H(a - 2 \mid 2 e^{0{,}5a - 1})\). 5. Bedingung für b) anwenden: \(y_H = 2 \implies 2 e^{0{,}5a - 1} = 2\). 6. Gleichung lösen: \(e^{0{,}5a - 1} = 1 \implies 0{,}5a - 1 = 0 \implies a = 2\).

a) Der Hochpunkt hat die Koordinaten \(H(a - 2 \mid 2 e^{0{,}5a - 1})\). b) Für \(a = 2\) liegt der Hochpunkt auf der Geraden \(y = 2\).

- Welche Bedingungen müssen für einen Tiefpunkt erfüllt sein? - Beachte den Definitionsbereich der Logarithmusfunktion. - Wie vereinfacht man Terme wie \(\ln(\sqrt{k})\) mithilfe von Logarithmengesetzen? - Was bedeutet es geometrisch für die Koordinaten eines Punktes, wenn er auf der \(x\)-Achse liegt?

1. Ableitungen bestimmen: \(g_k'(x) = x - \frac{k}{x}\) und \(g_k''(x) = 1 + \frac{k}{x^2}\). 2. Notwendige Bedingung \(g_k'(x) = 0\): \(x - \frac{k}{x} = 0 \implies x^2 = k\). Da \(x > 0\) und \(k > 0\), ist die einzige Lösung \(x = \sqrt{k}\). 3. Art des Extrempunktes prüfen: Da \(k > 0\) und \(x^2 > 0\), ist \(g_k''(x) = 1 + \frac{k}{x^2} > 0\) für alle \(x\) im Definitionsbereich. Somit ist \(x = \sqrt{k}\) immer die Stelle eines lokalen Minimums. 4. \(y\)-Koordinate bestimmen: \(g_k(\sqrt{k}) = \frac{1}{2}(\sqrt{k})^2 - k \cdot \ln(\sqrt{k}) = \frac{1}{2}k - k \cdot \frac{1}{2} \ln(k) = \frac{k}{2}(1 - \ln(k))\). Der Tiefpunkt ist \(T(\sqrt{k} \mid \frac{k}{2}(1 - \ln(k)))\). 5. Bedingung für b): Ein Punkt liegt auf der \(x\)-Achse, wenn seine \(y\)-Koordinate null ist. \(\frac{k}{2}(1 - \ln(k)) = 0\). 6. Da \(k > 0\), muss \(1 - \ln(k) = 0\) gelten. Dies führt zu \(\ln(k) = 1\), also \(k = e\).

a) Der Tiefpunkt hat die Koordinaten \(T(\sqrt{k} \mid \frac{k}{2}(1 - \ln(k)))\). Da \(g_k''(x) > 0\) für alle \(x\) gilt, ist dies der einzige Extrempunkt. b) Der Tiefpunkt liegt für \(k = e\) auf der \(x\)-Achse.

- Was ist die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt? - Wie prüfst du, ob es sich um einen Hoch- oder Tiefpunkt handelt? - Welchen x-Wert hat jeder Punkt, der auf der y-Achse liegt? - Was gibt die erste Ableitung an einer bestimmten Stelle über den Graphen aus?

1. Ableitungen bilden: \(f_a'(x) = -e^{a-x} + 1\) und \(f_a''(x) = e^{a-x}\). 2. Notwendige Bedingung für Extrema: \(f_a'(x) = 0 \Rightarrow e^{a-x} = 1 \Rightarrow a-x = 0 \Rightarrow x = a\). 3. Art des Extrempunktes prüfen: \(f_a''(a) = e^0 = 1 > 0\), somit liegt ein Tiefpunkt vor. 4. Koordinaten berechnen: \(f_a(a) = e^{a-a} + a = 1+a\). Der Tiefpunkt ist \(T(a \mid 1+a)\). 5. Bedingung für Teilaufgabe b): Der \(y\)-Wert des Tiefpunktes muss \(5\) sein: \(1+a = 5 \Rightarrow a = 4\). 6. Bedingung für Teilaufgabe c): Die Steigung im Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse (\(x=0\)) muss \(1-e\) sein. \(f_a'(0) = -e^a + 1\). Gleichsetzen: \(-e^a + 1 = 1-e \Rightarrow e^a = e \Rightarrow a = 1\).

a) Tiefpunkt \(T(a \mid 1+a)\) b) \(a = 4\) c) \(a = 1\)

- Wie hängen die Steigungen zweier paralleler Geraden zusammen? - Was bedeutet es für die Koordinaten eines Punktes, wenn er auf der x-Achse liegt? - Beachte beim Lösen der Gleichungen, dass die Exponentialfunktion \(e^x\) niemals null wird.

1. Ableitungen bestimmen: \(g_k'(x) = ke^x - e^{2x}\) und \(g_k''(x) = ke^x - 2 e^{2x}\). 2. Extremstellen berechnen: \(g_k'(x)=e^x \cdot (k-e^x)=0\). Da \(e^x > 0\), folgt \(e^x = k\), also \(x = \ln(k)\). 3. Art des Extrempunktes: \(g_k''(\ln(k)) = k \cdot k - 2 \cdot k^2 = -k^2\). Da \(k > 0\), ist \(-k^2 < 0\), also liegt ein Hochpunkt vor. 4. \(y\)-Koordinate: \(g_k(\ln(k)) = k \cdot k - 0{,}5 k^2 - 2 = 0{,}5 k^2 - 2\). Der Hochpunkt ist \(H(\ln(k) \mid 0{,}5 k^2 - 2)\). 5. Extrempunkt auf der \(x\)-Achse: \(0{,}5 k^2 - 2 = 0 \Rightarrow k^2 = 4 \Rightarrow k = 2\) (da \(k > 0\)). 6. Tangente parallel zu \(y = 3x - 5\): Die Steigung an der Stelle \(x=0\) muss \(3\) sein. \(g_k'(0) = ke^0 - e^0 = k - 1\). Gleichsetzen: \(k - 1 = 3 \Rightarrow k = 4\).

a) Hochpunkt \(H(\ln(k) \mid 0{,}5 k^2 - 2)\) b) \(k = 2\) c) \(k = 4\)

- Kannst du die Produktregel und die Kettenregel auf den Funktionsterm anwenden? - Welche Eigenschaft der Exponentialfunktion hilft dir beim Lösen der Gleichungen \(f'(x) = 0\) und \(f''(x) = 0\)? - Erinnerst du dich an die Lösungsformel für quadratische Gleichungen? - Warum ist es für die Existenz der Stellen wichtig, dass \(k > 0\) gilt?

1. Mit Produkt- und Kettenregel erhält man \(f_k'(x)=(-x^2+2x+k)e^{-x}\) und \(f_k''(x)=(x^2-4x+2-k)e^{-x}\). 2. Da \(e^{-x}>0\) gilt, folgen die stationären Stellen aus \(-x^2+2x+k=0\), also \(x_{E1}=1-\sqrt{1+k}\) und \(x_{E2}=1+\sqrt{1+k}\). 3. Der quadratische Faktor von \(f_k'\) ist zwischen seinen beiden Nullstellen positiv und außerhalb negativ. Daher wechselt \(f_k'\) bei \(x_{E1}\) von negativ zu positiv und bei \(x_{E2}\) von positiv zu negativ. Somit sind beide Stellen tatsächlich Extremstellen. 4. Die möglichen Wendestellen folgen aus \(x^2-4x+2-k=0\): \(x_{W1}=2-\sqrt{2+k}\) und \(x_{W2}=2+\sqrt{2+k}\). 5. Der quadratische Faktor von \(f_k''\) ist außerhalb seiner beiden Nullstellen positiv und dazwischen negativ. Da \(e^{-x}>0\), wechselt \(f_k''\) an beiden Stellen das Vorzeichen. Daher sind \(x_{W1}\) und \(x_{W2}\) tatsächliche Wendestellen.

Extremstellen: \(x_1 = 1 - \sqrt{1 + k}\) und \(x_2 = 1 + \sqrt{1 + k}\) Wendestellen: \(x_3 = 2 - \sqrt{2 + k}\) und \(x_4 = 2 + \sqrt{2 + k}\)

- Welche Faktoren von \(g_a'\) beziehungsweise \(g_a''\) können null werden? - Zerlege den kubischen Faktor der zweiten Ableitung vollständig. - Prüfe bei jeder Nullstelle von \(g_a''\), ob sich das Vorzeichen tatsächlich ändert.

1. Es gilt \(g_a'(x)=a(1-x^2)e^{-0{,}5x^2}\) und \(g_a''(x)=a(x^3-3x)e^{-0{,}5x^2}=ax(x^2-3)e^{-0{,}5x^2}\). 2. Aus \(g_a'(x)=0\) folgen \(x=-1\) und \(x=1\). Da \(g_a''(\pm1)\neq0\), liegen dort lokale Extrema vor. 3. Aus \(g_a''(x)=0\) folgen \(x=-\sqrt3\), \(x=0\) und \(x=\sqrt3\). 4. Der Exponentialfaktor ist positiv und \(a\neq0\). Der Faktor \(x(x^2-3)\) besitzt an jeder der drei Stellen eine einfache Nullstelle und wechselt daher jeweils sein Vorzeichen. Somit wechselt \(g_a''\) an allen drei Stellen das Vorzeichen; alle drei sind Wendestellen.

Extremstellen: \(x=-1\) und \(x=1\) Wendestellen: \(x=-\sqrt3\), \(x=0\) und \(x=\sqrt3\)

- Welche Gleichung kennzeichnet Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse? - Setze die Koordinaten des Punktes in den Funktionsterm ein. - Eine Substitution für \(e^{2t}\) verwandelt die Gleichung in eine algebraische Gleichung mit positiver Unbekannter.

1. \(f_t(-x)=e^{-tx}+e^{tx}=f_t(x)\). Daher sind alle Graphen achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse. 2. Aus der Punktbedingung folgt \(e^{2t}+e^{-2t}=e^4+e^{-4}\). 3. Setze \(u=e^{2t}>0\). Dann gilt \(u+\frac1u=e^4+e^{-4}\), also \(u^2-(e^4+e^{-4})u+1=0\). 4. Die beiden positiven Zahlen \(e^4\) und \(e^{-4}\) haben Produkt \(1\) und Summe \(e^4+e^{-4}\); sie sind daher genau die beiden Lösungen der quadratischen Gleichung. Somit gilt \(e^{2t}=e^4\) oder \(e^{2t}=e^{-4}\), also \(t=2\) oder \(t=-2\).

a) \(f_t(-x)=f_t(x)\) b) \(t=2\) oder \(t=-2\)

- Was muss für den Funktionswert an der Stelle \(-x\) gelten, damit Symmetrie zur \(y\)-Achse vorliegt? - An welcher Stelle \(x\) vermutest du aufgrund der Symmetrie den Tiefpunkt? - Verwende die Ableitung, um die Lage des Extrempunkts exakt zu bestimmen. - Welche Bedingung muss die \(y\)-Koordinate eines Punktes erfüllen, wenn er auf der \(x\)-Achse liegt?

1. Überprüfung der Symmetrie: \(g_k(-x) = k \cdot (e^{-x} + e^{-(-x)}) - k^2 = k \cdot (e^{-x} + e^x) - k^2 = g_k(x)\). Somit liegt Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse vor. 2. Bestimmung der Extremstelle: Die notwendige Bedingung \(g_k'(x) = 0\) führt auf \(k \cdot (e^x - e^{-x}) = 0\). Da \(k > 0\), muss \(e^x = e^{-x}\) gelten, woraus \(x = 0\) folgt. 3. Überprüfung der Art des Extrempunkts: Wegen \(g_k''(x) = k \cdot (e^x + e^{-x})\) ist \(g_k''(0) = 2k > 0\). Somit liegt bei \(x = 0\) ein Tiefpunkt vor. 4. Bedingung für die Lage auf der \(x\)-Achse: Die \(y\)-Koordinate des Tiefpunkts muss Null sein: \(g_k(0) = k \cdot (e^0 + e^0) - k^2 = 2k - k^2 = 0\). 5. Lösen der Gleichung: \(k \cdot (2 - k) = 0\) ergibt \(k = 2\) (da \(k \in \mathbb{R}^+\)).

a) Es gilt \(g_k(-x) = g_k(x)\), daher sind die Graphen achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse. b) Der Tiefpunkt liegt für \(k = 2\) auf der \(x\)-Achse.

- Was gibt die erste Ableitung einer Funktion an einer Stelle \(x\) grafisch an? - Welche Werte kann eine Kosinusfunktion maximal annehmen? - Stelle eine allgemeine Formel für die maximale Steigung in Abhängigkeit von \(k\) auf.

1. Bildung der ersten Ableitung von \(f_k(x) = \sin(kx)\) nach der Kettenregel: \(f_k'(x) = \cos(kx) \cdot k = k\cos(kx)\). 2. Bestimmung der maximalen Steigung: Die Steigung wird durch die Funktionswerte von \(f_k'(x)\) beschrieben. Da die Kosinusfunktion \(\cos(kx)\) maximal den Wert \(1\) annimmt, beträgt der maximale Wert der Steigungsfunktion \(k \cdot 1 = k\). 3. Analyse der Parameteränderung: Sei \(m_{max} = k\) die maximale Steigung für einen Parameter \(k\). Bei Verdopplung des Parameters auf \(2k\) ergibt sich die neue maximale Steigung zu \(m_{neu} = 2k\). 4. Schlussfolgerung: Eine Verdopplung von \(k\) führt zu einer Verdopplung der maximalen Steigung des Graphen.

Die maximale Steigung des Graphen von \(f_k(x) = \sin(kx)\) ist durch den Wert \(k\) gegeben. Verdoppelt man den Parameter \(k\), so verdoppelt sich auch die maximale Steigung des Graphen.

- Wie lässt sich eine quadratische Funktion direkt aus ihren Nullstellen konstruieren? - Wo liegt der Scheitelpunkt einer Parabel im Verhältnis zu ihren Nullstellen? - Welche Information liefert die erste Ableitung über den Graphen einer Funktion? - Wie hängen die verschiedenen Darstellungsformen (Nullstellenform, Scheitelpunktform, allgemeine Form) zusammen?

1. Ansatz der Nullstellenform: \(f_a(x) = c(x - 1)(x - a)\). Da der Scheitelpunkt symmetrisch zwischen den Nullstellen liegt, gilt \(x_s = \frac{a+1}{2}\). Einsetzen in die Funktionsgleichung ergibt die Bedingung für die \(y\)-Koordinate: \(f_a(\frac{a+1}{2}) = c \cdot (\frac{a+1}{2} - 1) \cdot (\frac{a+1}{2} - a) = c \cdot (\frac{a-1}{2}) \cdot (\frac{1-a}{2}) = -c \cdot \frac{(a-1)^2}{4}\). Gleichsetzen mit \((a-1)^2\) führt auf \(-c \cdot \frac{(a-1)^2}{4} = (a-1)^2\). Da \(a > 1\), kann durch \((a-1)^2\) dividiert werden, woraus \(c = -4\) folgt. 2. Mit dem Scheitelpunkt \(S(\frac{a+1}{2} | (a-1)^2)\) lautet die Scheitelpunktform: \(f_a(x) = -4(x - \frac{a+1}{2})^2 + (a-1)^2\). Ausmultiplizieren ergibt: \(f_a(x) = -4(x^2 - (a+1)x + \frac{(a+1)^2}{4}) + (a-1)^2 = -4x^2 + (4a+4)x - (a^2+2a+1) + (a^2-2a+1) = -4x^2 + (4a+4)x - 4a\). 3. Die Ableitungsfunktion lautet \(f_a'(x) = -8x + 4a + 4\). Die Steigung an der Stelle \(x=1\) ist \(f_a'(1) = -8 \cdot 1 + 4a + 4 = 4a - 4\).

1. \(f_a(x) = -4(x-1)(x-a)\) 2. Scheitelpunktform: \(f_a(x) = -4(x - \frac{a+1}{2})^2 + (a-1)^2\); allgemeine Form: \(f_a(x) = -4x^2 + (4a+4)x - 4a\) 3. \(m = 4a - 4\)

- Welche Auswirkung hat die Punktsymmetrie zum Ursprung auf die Exponenten der Variable \(x\) im Funktionsterm? - Wie viele Unbekannte hat der allgemeine Ansatz unter Berücksichtigung der Symmetrie? - Welche Gleichungen lassen sich aus den gegebenen Nullstellen aufstellen? - Da nach „allen“ Funktionen gefragt ist, wird am Ende ein Parameter im Funktionsterm verbleiben.

1. Aufgrund der Punktsymmetrie zum Ursprung enthält der Funktionsterm nur ungerade Exponenten: \(f(x) = ax^5 + bx^3 + cx\). 2. Da die Funktion vom Grad 5 ist, muss \(a \neq 0\) gelten. 3. Aus den Nullstellen bei \(x = 1\) und \(x = 2\) ergeben sich die Bedingungen \(f(1) = 0\) und \(f(2) = 0\). 4. Einsetzen von \(x = 1\): \(a + b + c = 0 \implies c = -a - b\). 5. Einsetzen von \(x = 2\): \(32a + 8b + 2c = 0\). Division durch 2 ergibt \(16a + 4b + c = 0\). 6. Substitution von \(c\): \(16a + 4b + (-a - b) = 0 \implies 15a + 3b = 0\). 7. Auflösen nach \(b\): \(3b = -15a \implies b = -5a\). 8. Bestimmen von \(c\): \(c = -a - (-5a) = 4a\). 9. Die Funktionsschar lautet somit \(f_a(x) = ax^5 - 5ax^3 + 4ax\) mit \(a \in \mathbb{R} \setminus \{0\}\).

\(f_a(x) = ax^5 - 5ax^3 + 4ax = a(x^5 - 5x^3 + 4x)\) mit \(a \in \mathbb{R} \setminus \{0\}\)

- Welche Potenzen dürfen in einem zur \(y\)-Achse symmetrischen Polynom vierten Grades vorkommen? - Übersetze „Extrempunkt auf der \(x\)-Achse“ in Bedingungen an \(f\) und \(f'\). - Prüfe nach dem Bestimmen der Familie noch, ob die stationäre Stelle für alle zulässigen Parameter tatsächlich ein Extremum ist.

1. Wegen der Achsensymmetrie hat der Term die Form \(f(x)=ax^4+bx^2+c\) mit \(a\neq0\). 2. Aus \(f(2)=0\) und \(f'(2)=0\) folgt \(b=-8a\) und \(c=16a\). 3. Damit gilt \(f_a(x)=a(x^2-4)^2\), \(a\neq0\). 4. Es ist \(f_a''(x)=12ax^2-16a\) und damit \(f_a''(2)=32a\neq0\). Also ist \(x=2\) tatsächlich eine lokale Extremstelle: für \(a>0\) ein Minimum, für \(a<0\) ein Maximum.

\(f_a(x)=a(x^2-4)^2=ax^4-8ax^2+16a\) mit \(a\in\mathbb{R}\setminus\{0\}\). Bei \(x=2\) liegt für \(a>0\) ein lokales Minimum und für \(a<0\) ein lokales Maximum.

- Wie lautet die notwendige Bedingung für das Vorliegen eines Extrempunktes? - Was passiert mit der Anzahl der Extremstellen, wenn der Parameter null ist? - Erinnere dich daran, dass ein Punkt genau dann auf der \(x\)-Achse liegt, wenn seine \(y\)-Koordinate einen bestimmten Wert hat. - Überprüfe bei der Bestimmung der Art der Extrempunkte, wie das Vorzeichen des Parameters die zweite Ableitung beeinflusst.

1. Die notwendige Bedingung für Extrema ist \(f_k'(x) = x^2 - k^2 = 0\). Für \(k = 0\) ist \(f_0'(x) = x^2\); da \(f_0'(0) = 0\) ohne Vorzeichenwechsel gilt (bzw. \(f_0''(0) = 0\) und \(f_0'''(0) \neq 0\)), liegt an der Stelle \(x = 0\) ein Sattelpunkt und kein Extrempunkt vor. Für \(k \neq 0\) ergeben sich die Stellen \(x_1 = k\) und \(x_2 = -k\). Die zweite Ableitung \(f_k''(x) = 2x\) liefert \(f_k''(k) = 2k\) und \(f_k''(-k) = -2k\). Ist \(k > 0\), so liegt bei \(x_1 = k\) ein Tiefpunkt \(T(k \mid -\frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\) und bei \(x_2 = -k\) ein Hochpunkt \(H(-k \mid \frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\) vor. Ist \(k < 0\), so liegt bei \(x_1 = k\) ein Hochpunkt \(H(k \mid -\frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\) und bei \(x_2 = -k\) ein Tiefpunkt \(T(-k \mid \frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\) vor. 2. Ein Extrempunkt liegt auf der \(x\)-Achse, wenn sein \(y\)-Wert null ist. Fall 1: \(-\frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3} = 0 \implies k^3 = 1 \implies k = 1\). Fall 2: \(\frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3} = 0 \implies k^3 = -1 \implies k = -1\). Für \(k = 1\) liegt der Tiefpunkt \((1 \mid 0)\) auf der \(x\)-Achse, für \(k = -1\) ebenfalls der Tiefpunkt \((1 \mid 0)\).

1. Für \(k = 0\) gibt es keine Extrempunkte. Für \(k \neq 0\) sind die Extrempunkte \(P_1(k \mid -\frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\) und \(P_2(-k \mid \frac{2}{3}k^3 + \frac{2}{3})\). 2. Für \(k = 1\) und \(k = -1\) liegt der Tiefpunkt \(T(1 \mid 0)\) auf der \(x\)-Achse.

- Welches Glied bestimmt bei einer kubischen Funktion das Grenzverhalten? - Für die Wendestelle brauchst du die zweite Ableitung; prüfe anschließend ein hinreichendes Kriterium. - Ein Punkt liegt auf der \(y\)-Achse, wenn seine \(x\)-Koordinate null ist.

1. Das Grenzverhalten wird vom Leitglied \(\frac13kx^3\) bestimmt. Für \(k>0\) gilt \(f_k(x)\to\infty\) für \(x\to\infty\) und \(f_k(x)\to-\infty\) für \(x\to-\infty\); für \(k<0\) umgekehrt. 2. \(f_k'(x)=kx^2+2(k+2)x+12\) und \(f_k''(x)=2kx+2k+4\). Daher ist \(x_W=-1-\frac2k\). Weil \(f_k'''(x)=2k\neq0\), liegt dort tatsächlich ein Wendepunkt. 3. Aus \(-1-\frac2k=0\) folgt \(k=-2\). Dann ist \(f_{-2}(x)=-\frac23x^3+12x\), also \(W_{-2}(0\mid0)\), und \(f_{-2}'(0)=12\).

a) Für \(k>0\): rechts \(\infty\), links \(-\infty\); für \(k<0\) umgekehrt. b) \(x_W=-1-\frac2k\) c) \(k=-2\), \(W_{-2}(0\mid0)\), Wendetangentensteigung \(12\)

- Welche Potenzen von \(x\) kommen in einem Funktionsterm vor, wenn der Graph achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse ist? - Welche Bedingungen müssen für eine Extremstelle an einer bestimmten Position erfüllt sein? - Wie hängen der Funktionswert und die Ableitungen an einer Stelle zusammen? - Nutze die zweite Ableitung, um die Art eines Extrempunktes zu bestimmen.

1. Ansatz für eine achsensymmetrische Funktion 4. Grades: \(f_k(x) = ax^4 + bx^2 + c\). 2. Punkt \(O(0|0)\) einsetzen: \(f_k(0) = 0 \implies c = 0\). 3. Extremstelle bei \(x = 1\) mit Funktionswert \(k\): \(f_k(1) = a + b = k\) und \(f_k'(1) = 4a + 2b = 0\). 4. Gleichungssystem lösen: Aus \(4a + 2b = 0\) folgt \(b = -2a\). Einsetzen in \(a + b = k\) ergibt \(a - 2a = k\), also \(a = -k\) und \(b = 2k\). 5. Funktionsterm: \(f_k(x) = -kx^4 + 2kx^2\). 6. Art des Extremums prüfen: \(f_k''(x) = -12kx^2 + 4k\). An der Stelle \(x = 1\) gilt \(f_k''(1) = -12k + 4k = -8k\). 7. Ergebnis: Für \(k > 0\) ist \(f_k''(1) < 0\) (lokales Maximum), für \(k < 0\) ist \(f_k''(1) > 0\) (lokales Minimum). Da die Funktion vom Grad 4 ist, muss \(k \neq 0\) gelten.

a) \(f_k(x) = -kx^4 + 2kx^2\) b) Für \(k > 0\) liegt ein lokales Maximum vor, für \(k < 0\) ein lokales Minimum.

- Wie vereinfacht die Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse den allgemeinen Ansatz einer Funktion 4. Grades? - Welche drei Informationen stecken in der Angabe eines Wendepunkts inklusive der Steigung seiner Tangente? - Stelle für jede Information eine mathematische Gleichung auf. - Prüfe am Ende, ob alle Bedingungen durch deine berechneten Koeffizienten erfüllt werden.

1. Ansatz aufgrund der Achsensymmetrie: \(f(x) = ax^4 + bx^2 + c\). 2. \(y\)-Achsenabschnitt nutzen: \(f(0) = 2{,}5 \implies c = 2{,}5\). 3. Bedingungen am Wendepunkt \(W(1|0)\): \(f(1) = 0\) (Punktbedingung), \(f'(1) = -4\) (Steigung der Tangente) und \(f''(1) = 0\) (Krümmung). 4. Gleichungen aufstellen: I: \(a + b + 2{,}5 = 0 \implies a + b = -2{,}5\) II: \(4a + 2b = -4 \implies 2a + b = -2\) III: \(12a + 2b = 0 \implies 6a + b = 0\) 5. System lösen: Aus III folgt \(b = -6a\). Einsetzen in II: \(2a - 6a = -2 \implies -4a = -2 \implies a = 0{,}5\). 6. \(b\) berechnen: \(b = -6 \cdot 0{,}5 = -3\). 7. Konsistenzprüfung mit I: \(0{,}5 - 3 = -2{,}5\) (erfüllt). 8. Funktionsterm: \(f(x) = 0{,}5x^4 - 3x^2 + 2{,}5\). 9. Schließlich gilt \(f'''(1)=12\neq0\); damit ist \(W(1|0)\) tatsächlich ein Wendepunkt.

\(f(x) = 0{,}5x^4 - 3x^2 + 2{,}5\)

- Was musst du über den Definitionsbereich der Logarithmusfunktion wissen? - Wie hängen die notwendige Bedingung für Extremstellen und der Parameter \(a\) zusammen? - Welches Vorzeichen muss \(a\) haben, damit die Gleichung für die erste Ableitung eine Lösung im Definitionsbereich hat? - Wie hilft dir die zweite Ableitung dabei, die Art des Extrempunktes allgemein zu bestimmen?

1. Ableitungen berechnen: \(f_a'(x) = \frac{a}{x} - 1\) und \(f_a''(x) = -\frac{a}{x^2}\). 2. Notwendige Bedingung \(f_a'(x) = 0\) anwenden: \(\frac{a}{x} - 1 = 0 \iff \frac{a}{x} = 1 \iff x = a\). 3. Existenzprüfung: Da der Logarithmus nur für \(x > 0\) definiert ist, muss die Lösung \(x = a\) im Definitionsbereich liegen, woraus \(a > 0\) folgt. Für \(a \leq 0\) existiert kein Extrempunkt. 4. Art des Extrempunktes bestimmen: Einsetzen der Stelle in die zweite Ableitung ergibt \(f_a''(a) = -\frac{a}{a^2} = -\frac{1}{a}\). Da für die Existenz \(a > 0\) vorausgesetzt wurde, ist \(f_a''(a) < 0\), womit ein lokales Maximum (Hochpunkt) vorliegt. 5. \(y\)-Koordinate berechnen: \(f_a(a) = a \cdot \ln(a) - a = a(\ln(a) - 1)\). Die Koordinaten lauten \(H(a \mid a(\ln(a) - 1))\).

Ein Extrempunkt existiert genau dann, wenn \(a > 0\) gilt. Es handelt sich um einen Hochpunkt mit den Koordinaten \(H(a \mid a(\ln(a) - 1))\).

- Welche Werte kann die Exponentialfunktion \(e^{kx}\) annehmen? - Wie löst man eine Gleichung nach \(x\) auf, wenn \(x\) im Exponenten steht? - Denke an die Kettenregel beim Ableiten der Funktionenschar. - Was sagt das Vorzeichen der zweiten Ableitung über die Art des Extrempunktes aus, unabhängig vom konkreten Wert von \(x\)?

1. Ableitungen unter Verwendung der Kettenregel bilden: \(h_k'(x) = ke^{kx} - 1\) und \(h_k''(x) = k^2e^{kx}\). 2. Stationäre Punkte bestimmen: \(h_k'(x) = 0 \iff ke^{kx} = 1 \iff e^{kx} = \frac{1}{k}\). 3. Existenzbedingung herleiten: Da die Exponentialfunktion \(e^{kx}\) für alle reellen Zahlen positive Werte annimmt, besitzt die Gleichung nur dann eine Lösung für \(x\), wenn \(\frac{1}{k} > 0\) gilt, was gleichbedeutend mit \(k > 0\) ist. 4. Extremstelle berechnen: Durch Logarithmieren folgt \(kx = \ln\left(\frac{1}{k}\right) = -\ln(k)\), also \(x = -\frac{\ln(k)}{k}\). 5. Art des Extrempunktes klassifizieren: Da \(k \neq 0\) ist \(k^2\) stets positiv. Da auch \(e^{kx} > 0\) gilt, ist \(h_k''(x) = k^2e^{kx} > 0\) für alle \(x\). Somit liegt an der gefundenen Stelle immer ein lokales Minimum (Tiefpunkt) vor. 6. Funktionswert ermitteln: \(h_k\left(-\frac{\ln(k)}{k}\right) = e^{k \cdot \left(-\frac{\ln(k)}{k}\right)} - \left(-\frac{\ln(k)}{k}\right) = e^{-\ln(k)} + \frac{\ln(k)}{k} = \frac{1}{k} + \frac{\ln(k)}{k} = \frac{1 + \ln(k)}{k}\). Der Tiefpunkt ist \(T\left(-\frac{\ln(k)}{k} \mid \frac{1 + \ln(k)}{k}\right)\).

Ein Extrempunkt existiert nur für \(k > 0\). Es handelt sich um einen Tiefpunkt mit den Koordinaten \(T\left(-\frac{\ln(k)}{k} \mid \frac{1 + \ln(k)}{k}\right)\).

- Welche Rolle spielt der stets positive Faktor \(e^x\) bei der Nullstellensuche? - Bilde die Ableitung und reduziere die Extremstellenbedingung auf eine quadratische Gleichung. - Welche Bedingung an die Diskriminante liefert genau zwei verschiedene reelle Lösungen?

1. Nullstellen erfüllen \(a-x^2=0\), also \(x^2=a\). Für \(a<0\) gibt es keine Nullstelle, für \(a=0\) genau eine und für \(a>0\) zwei Nullstellen. 2. Es ist \(g_a'(x)=(-x^2-2x+a)e^x\). Da \(e^x>0\) gilt, entsprechen die Extremstellen den Lösungen von \(x^2+2x-a=0\). 3. Die Diskriminante dieser quadratischen Gleichung ist \(4+4a\). Genau zwei verschiedene Lösungen und damit zwei Extremstellen existieren genau für \(4+4a>0\), also für \(a>-1\).

a) Für \(a<0\) keine Nullstelle, für \(a=0\) eine Nullstelle, für \(a>0\) zwei Nullstellen. b) Genau zwei Extrempunkte existieren für \(a>-1\).

- Wann kann der Nenner \(x^2+t\) für reelle \(x\) null werden? - Welche Gleichung prüft Punktsymmetrie zum Ursprung? - Welche Ableitungsregel brauchst du für \(f_t\), und wo kann das Vorzeichen von \(f_t'\) wechseln? - Wie drückst du die Höhe des Hochpunkts in Abhängigkeit von \(t\) aus?

1. Für \(D_t=\mathbb{R}\) darf \(x^2+t\) keine reelle Nullstelle besitzen. Das gilt genau für \(t>0\). 2. Es ist \(f_t(-x)=\frac{-tx}{x^2+t}=-f_t(x)\). Daher sind alle Graphen punktsymmetrisch zum Ursprung. 3. Mit der Quotientenregel erhält man \(f_t'(x)=\frac{t(t-x^2)}{(x^2+t)^2}\). Für \(t>0\) ist der Nenner positiv, und der Zähler wechselt bei \(x=\pm\sqrt{t}\) jeweils das Vorzeichen. Daher besitzt jeder Graph genau zwei lokale Extrempunkte. 4. Der Hochpunkt im ersten Quadranten liegt bei \(x=\sqrt{t}\). Dort gilt \(f_t(\sqrt{t})=\frac{\sqrt{t}}{2}\). Aus \(\frac{\sqrt{t}}{2}=1\) folgt \(t=4\).

a) \(t>0\) b) \(f_t(-x)=-f_t(x)\) c) Extremstellen bei \(x=\pm\sqrt{t}\) d) \(t=4\)

- Welche Stelle ist aus dem Definitionsbereich ausgeschlossen? - Welche Ableitungsregel brauchst du für den gebrochen-rationalen Funktionsterm? - Was sagt die Diskriminante über die Anzahl der Nullstellen des Zählers von \(f_a'\) aus? - Welche der gefundenen Stellen liegen tatsächlich im Definitionsbereich und führen zu einem Vorzeichenwechsel von \(f_a'\)?

1. Der Definitionsbereich ist \(D=\mathbb{R}\setminus\{1\}\). 2. Mit der Quotientenregel erhält man \(f_a'(x)=\frac{x^2-2x-a}{(x-1)^2}\). 3. Für Extremstellen muss \(x^2-2x-a=0\) gelten. Die Diskriminante ist \(\Delta=4+4a=4(1+a)\). 4. Für \(a<-1\) ist \(\Delta<0\), also gibt es keine stationären Stellen. Für \(a=-1\) liegt die einzige Nullstelle bei \(x=1\), die nicht zum Definitionsbereich gehört. Auch dann gibt es keine Extremstelle. 5. Für \(a>-1\) liegen die beiden einfachen Nullstellen \(x=1\pm\sqrt{1+a}\) im Definitionsbereich. Der Zähler von \(f_a'\) wechselt an beiden Stellen das Vorzeichen, also besitzt \(f_a\) genau zwei Extremstellen.

Für \(a\le-1\) besitzt \(f_a\) keine Extremstellen; für \(a>-1\) besitzt \(f_a\) genau zwei Extremstellen.

- Welche Ableitungsregeln musst du anwenden, wenn ein Produkt aus einer ganzrationalen Funktion und einer Exponentialfunktion vorliegt? - Was weißt du über die Nullstellen der natürlichen Exponentialfunktion? - Von welchem Teil der Ableitungsfunktion hängt die Anzahl der Nullstellen ab? - Wie viele Lösungen kann eine quadratische Gleichung höchstens haben?

1. Bildung der ersten Ableitung unter Verwendung der Produkt- und Kettenregel: \( f'(x) = (2ax + b) \cdot e^{-x} + (ax^2 + bx + c) \cdot e^{-x} \cdot (-1) \). 2. Ausklammern des Exponentialterms: \( f'(x) = e^{-x} \cdot (2ax + b - ax^2 - bx - c) = e^{-x} \cdot (-ax^2 + (2a-b)x + b-c) \). 3. Notwendige Bedingung für Extremstellen: \( f'(x) = 0 \). Da \( e^{-x} > 0 \) für alle \( x \in \mathbb{R} \), muss der quadratische Faktor null sein: \( -ax^2 + (2a-b)x + b-c = 0 \). 4. Da \( a \neq 0 \), handelt es sich um eine quadratische Gleichung. Eine quadratische Gleichung hat im Reellen maximal zwei Lösungen. 5. Da die Ableitung höchstens zwei Nullstellen besitzen kann, kann die Funktion \( f \) höchstens zwei Stellen mit waagerechter Tangente und damit maximal zwei Extremstellen haben.

Die Ableitung hat die Form \( f'(x) = e^{-x} \cdot Q(x) \), wobei \( Q(x) \) ein Polynom zweiten Grades ist. Da \( e^{-x} \) nie null wird, wird die Anzahl der Nullstellen der Ableitung durch \( Q(x) \) begrenzt. Da ein Polynom zweiten Grades maximal zwei Nullstellen besitzt, kann die Funktion \( f \) maximal zwei Extremstellen haben.

- Wann ist eine Funktion auf einem Intervall umkehrbar? Denke an die erste Ableitung. - Untersuche die Anzahl der Nullstellen der Ableitungsfunktion in Abhängigkeit von \(k\). - Nutze die Definition der Injektivität: Darf ein Funktionswert mehrmals angenommen werden? - Prüfe, ob die Funktion \(g\) eine besondere Symmetrie aufweist.

1. Für die Umkehrbarkeit auf \(\mathbb{R}\) muss \(f_k\) streng monoton sein. Die Ableitung lautet \(f_k'(x) = x^2 + k\). 2. Damit \(f_k\) streng monoton steigend ist, muss \(f_k'(x) \ge 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\) gelten, wobei die Nullstellen isoliert sein müssen. Da \(x^2 \ge 0\) für alle \(x\), ist die Bedingung \(x^2 + k \ge 0\) für alle \(k \ge 0\) erfüllt. Für \(k < 0\) hätte \(f_k'\) zwei Nullstellen mit Vorzeichenwechsel, was die Monotonie aufhebt. Ergebnis: \(k \ge 0\). 3. Für Teilaufgabe b) wird die Symmetrie betrachtet. Es gilt \(g(-x) = a(-x)^4 + b(-x)^2 + c = ax^4 + bx^2 + c = g(x)\). 4. Da \(g(x) = g(-x)\) für alle \(x \in \mathbb{R}\) gilt, ist die Funktion achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse. Für jedes \(x \neq 0\) gibt es also mindestens zwei verschiedene Stellen (\(x\) und \(-x\)) mit demselben Funktionswert. Die Funktion ist somit nicht injektiv und daher auf \(\mathbb{R}\) nicht umkehrbar.

a) \(k \in [0; \infty[\) (oder \(k \ge 0\)) b) Die Funktion ist achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse (\(g(x) = g(-x)\)), weshalb sie nicht injektiv und somit nicht umkehrbar ist.

- Wende für die erste Ableitung die Kettenregel an, wobei die Wurzel die äußere Funktion ist. - Nutze für die zweite Ableitung die Quotientenregel und vereinfache den Zähler durch Erweitern. - Setze den gegebenen x-Wert in deine Formel für die zweite Ableitung ein und löse die Gleichung nach dem Parameter auf. - Erinnere dich an die allgemeine Formel für eine Tangentengleichung an einer Stelle \(x_0\).

1. Erste Ableitung mit der Kettenregel: \(f_k'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x^2 + k}} \cdot 2x = \frac{x}{\sqrt{x^2 + k}}\). 2. Zweite Ableitung mit der Quotientenregel: \(f_k''(x) = \frac{1 \cdot \sqrt{x^2 + k} - x \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2 + k}}}{x^2 + k} = \frac{x^2 + k - x^2}{(x^2 + k)^{1{,}5}} = \frac{k}{(x^2 + k)^{3/2}}\). 3. Bedingung \(f_k''(0) = 0{,}25\) führt auf \(\frac{k}{k^{1{,}5}} = 0{,}25\), also \(\frac{1}{\sqrt{k}} = \frac{1}{4}\). Daraus folgt \(\sqrt{k} = 4\) und somit \(k = 16\). 4. Für \(k = 12\) und \(x = 2\) ist \(f_{12}(2) = \sqrt{4 + 12} = 4\). Die Steigung ist \(f_{12}'(2) = \frac{2}{\sqrt{4 + 12}} = 0{,}5\). 5. Tangentengleichung \(y = f_{12}'(2) \cdot (x - 2) + f_{12}(2)\) ergibt \(y = 0{,}5(x - 2) + 4 = 0{,}5x + 3\).

a) \(f_k'(x) = \frac{x}{\sqrt{x^2 + k}}\); \(f_k''(x) = \frac{k}{(x^2 + k)^{3/2}}\) b) \(k = 16\) c) \(y = 0{,}5x + 3\)

- Überlege dir, warum der Ausdruck unter der Wurzel niemals null oder negativ werden kann. - Erinnere dich an die Definition von Achsen- und Punktsymmetrie. - Nutze die Quotientenregel und beachte beim Ableiten der Wurzel die Kettenregel. - Beachte beim Grenzwert im Unendlichen den Zusammenhang zwischen \(\sqrt{x^2}\) und \(|x|\).

1. Definitionsbereich: Da \(k \neq 0\), ist \(k^2 > 0\). Da zudem \(x^2 \geq 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\), gilt stets \(x^2 + k^2 > 0\). Die Wurzel im Nenner ist somit für alle reellen Zahlen definiert und ungleich Null, woraus \(D = \mathbb{R}\) folgt. 2. Symmetrie: Es gilt \(f_k(-x) = \frac{k \cdot (-x)}{\sqrt{(-x)^2 + k^2}} = \frac{-kx}{\sqrt{x^2 + k^2}} = -f_k(x)\). Die Graphen sind somit punktsymmetrisch zum Koordinatenursprung. 3. Ableitung: Unter Verwendung der Quotienten- und Kettenregel ergibt sich \(f_k'(x) = \frac{k \cdot \sqrt{x^2+k^2} - kx \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2+k^2}}}{x^2+k^2} = \frac{k(x^2+k^2) - kx^2}{(x^2+k^2)^{3/2}} = \frac{k^3}{(x^2+k^2)^{3/2}}\). 4. Monotonie: Der Nenner \((x^2+k^2)^{3/2}\) ist stets positiv. Das Vorzeichen von \(f_k'(x)\) hängt somit nur von \(k^3\) ab. Für \(k > 0\) ist \(f_k'(x) > 0\), die Funktion ist streng monoton steigend. Für \(k < 0\) ist \(f_k'(x) < 0\), die Funktion ist streng monoton fallend. 5. Grenzwerte: \(\lim_{x \to \pm\infty} \frac{kx}{\sqrt{x^2(1 + k^2/x^2)}} = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{kx}{|x|\sqrt{1 + k^2/x^2}}\). Für \(x \to +\infty\) ist \(|x|=x\), der Grenzwert ist \(k\). Für \(x \to -\infty\) ist \(|x|=-x\), der Grenzwert ist \(-k\). Geometrisch bedeutet dies, dass die Graphen waagerechte Asymptoten mit den Gleichungen \(y = k\) und \(y = -k\) besitzen.

a) \(D = \mathbb{R}\); Punktsymmetrie zum Ursprung. b) \(f_k'(x) = \frac{k^3}{(x^2+k^2)^{3/2}}\); für \(k > 0\) streng monoton steigend, für \(k < 0\) streng monoton fallend. c) \(\lim_{x \to +\infty} f_k(x) = k\) und \(\lim_{x \to -\infty} f_k(x) = -k\). Die Graphen besitzen waagerechte Asymptoten \(y = k\) und \(y = -k\).

- Welche Bedingung muss für den Ausdruck unter einer Quadratwurzel gelten? - Ein Produkt wird null, wenn einer der Faktoren null wird. - Erinnere dich an die Produkt- und Kettenregel für Ableitungen. - Welche notwendige und welche hinreichende Bedingung muss für einen Tiefpunkt erfüllt sein? - Wie hängen das Vorzeichen der zweiten Ableitung und das Krümmungsverhalten eines Graphen zusammen?

1. Für die Definitionsmenge muss der Radikand nichtnegativ sein: \(x + k \geq 0 \Rightarrow x \geq -k\), also \(D_k = [-k; \infty[\). 2. Die Nullstellen ergeben sich aus \(2x - k = 0\) oder \(\sqrt{x + k} = 0\), woraus \(x_1 = \frac{k}{2}\) und \(x_2 = -k\) folgen. 3. Die erste Ableitung lautet \(f_k'(x) = 2\sqrt{x+k} + \frac{2x-k}{2\sqrt{x+k}} = \frac{4(x+k) + 2x-k}{2\sqrt{x+k}} = \frac{6x + 3k}{2\sqrt{x+k}}\). 4. Ein Extrempunkt bei \(x = -2\) erfordert \(f_k'(-2) = 0\): \(6(-2) + 3k = 0 \Rightarrow -12 + 3k = 0 \Rightarrow k = 4\). 5. Die zweite Ableitung ist \(f_k''(x) = \frac{6 \cdot 2\sqrt{x+k} - (6x+3k) \cdot \frac{1}{\sqrt{x+k}}}{4(x+k)} = \frac{12(x+k) - (6x+3k)}{4(x+k)^{3/2}} = \frac{6x + 9k}{4(x+k)^{3/2}}\). 6. Überprüfung für \(k = 4\) bei \(x = -2\): \(f_4''(-2) = \frac{6(-2) + 36}{4(-2+4)^{3/2}} = \frac{24}{4\sqrt{8}} > 0\), somit liegt ein Tiefpunkt vor. 7. Für die Krümmung betrachte \(f_k''(x)\): Da der Nenner für \(x > -k\) stets positiv ist, hängt das Vorzeichen vom Zähler \(6x + 9k\) ab. Wegen \(x > -k\) gilt \(6x + 9k > 6(-k) + 9k = 3k\). Da \(k > 0\), ist \(3k > 0\). Somit ist \(f_k''(x) > 0\) für alle \(x > -k\), was eine Linkskrümmung beweist.

a) \(D_k = [-k; \infty[\); Nullstellen bei \(x = -k\) und \(x = 0{,}5k\). b) \(k = 4\). c) Der Nachweis erfolgt über \(f_k''(x) = \frac{6x + 9k}{4(x+k)^{\frac{3}{2}}}\), wobei \(f_k''(x) > 0\) für \(x > -k\) gilt.

- Überlege, für welche Werte von \(x\) der Ausdruck \(\sqrt{x}\) definiert ist. - Nutze den Satz vom Nullprodukt für die Berechnung der Nullstellen. - Verwende die Produktregel für die erste Ableitung und vereinfache den entstehenden Bruch. - Denke daran, dass für einen Hochpunkt die erste Ableitung null sein muss. - Um eine Gleichung der Form \(x\sqrt{x} = c\) zu lösen, kannst du beide Seiten quadrieren oder die Potenzschreibweise verwenden.

1. Da die Wurzel nur für nicht-negative Werte definiert ist, gilt \(D_a = [0; \infty[\). 2. Die Nullstellen liegen bei \(a - x = 0 \Rightarrow x_1 = a\) und \(\sqrt{x} = 0 \Rightarrow x_2 = 0\). 3. Ableitung mit der Produktregel: \(h_a'(x) = -1 \cdot \sqrt{x} + (a - x) \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{-2x + a - x}{2\sqrt{x}} = \frac{a - 3x}{2\sqrt{x}}\). 4. Die Bedingung \(h_a'(x) = 0\) liefert \(a - 3x = 0 \Rightarrow x = \frac{a}{3}\). 5. Die zweite Ableitung \(h_a''(x) = \frac{-3 \cdot 2\sqrt{x} - (a-3x) \cdot \frac{1}{\sqrt{x}}}{4x} = \frac{-6x - a + 3x}{4x\sqrt{x}} = \frac{-3x - a}{4x\sqrt{x}}\) ist für \(x > 0\) und \(a > 0\) stets negativ, was den Hochpunkt bestätigt. 6. \(y\)-Koordinate: \(h_a(\frac{a}{3}) = (a - \frac{a}{3}) \cdot \sqrt{\frac{a}{3}} = \frac{2a}{3} \cdot \sqrt{\frac{a}{3}} = \frac{2a\sqrt{a}}{3\sqrt{3}}\). Die Koordinaten sind \(H_a(\frac{a}{3} \mid \frac{2a\sqrt{3a}}{9})\). 7. Für \(y = 2\) gilt: \(\frac{2a\sqrt{a}}{3\sqrt{3}} = 2 \Rightarrow a\sqrt{a} = 3\sqrt{3} \Rightarrow a^{3/2} = 3^{3/2} \Rightarrow a = 3\).

a) \(D_a = [0; \infty[\); Nullstellen bei \(x = 0\) und \(x = a\). b) \(H_a(\frac{a}{3} \mid \frac{2a\sqrt{3a}}{9})\). c) \(a = 3\).

- Überlege, welche Bedingung für den Term unter einer Quadratwurzel gelten muss. - Nutze die Kettenregel, um die Ableitung der Wurzelfunktion zu bestimmen. - Die Steigung an einer Stelle entspricht dem Wert der ersten Ableitung an dieser Stelle. - Um eine Gleichung mit einer Wurzel nach der Unbekannten aufzulösen, ist es oft hilfreich, die Wurzel zu isolieren und dann zu quadrieren.

1. Für die Definitionsmenge muss der Radikand nichtnegativ sein: \(2ax - a^2 \ge 0\). Da \(a > 0\), folgt \(2x \ge a\) und somit \(x \ge \frac{a}{2}\). Die maximale Definitionsmenge ist \(D_a = [\frac{a}{2}; \infty[\). 2. Anwendung der Kettenregel für die Ableitung: \(f_a'(x) = \frac{1}{2\sqrt{2ax - a^2}} \cdot 2a = \frac{a}{\sqrt{2ax - a^2}}\). 3. Bedingung für die Steigung aufstellen: \(f_a'(2) = 0{,}5\). Einsetzen ergibt \(\frac{a}{\sqrt{4a - a^2}} = 0{,}5\). 4. Lösen der Gleichung: Multiplikation mit der Wurzel und Quadrieren führt zu \(a^2 = 0{,}25 \cdot (4a - a^2)\), was \(a^2 = a - 0{,}25a^2\) bzw. \(1{,}25a^2 - a = 0\) ergibt. Da \(a > 0\), folgt \(1{,}25a = 1\) und somit \(a = 0{,}8\). 5. Prüfung der Definitionsmenge: Für \(a = 0{,}8\) ist \(D_{0{,}8} = [0{,}4; \infty[\). Da \(2 \in D_{0{,}8}\), ist die Lösung gültig.

a) \(D_a = [\frac{a}{2}; \infty[\) b) \(f_a'(x) = \frac{a}{\sqrt{2ax - a^2}}\) c) \(a = 0{,}8\)

- Kann der Ausdruck unter der Wurzel für irgendein \(x\) negativ werden? - Erinnere dich daran, dass die zweite Ableitung die Ableitung der ersten Ableitung ist. - Verwende die Quotientenregel oder schreibe den Term in eine Potenzform um, um die Ableitungen zu berechnen. - Vereinfache den Term der zweiten Ableitung so weit wie möglich, bevor du den Wert für \(x\) einsetzt.

1. Da \(x^2 \ge 0\) und \(k^2 > 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\), ist der Radikand \(x^2 + k^2\) stets positiv. Somit ist \(D_k = \mathbb{R}\). 2. Erste Ableitung mit Kettenregel: \(g_k'(x) = \frac{1}{k} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x^2 + k^2}} \cdot 2x = \frac{x}{k\sqrt{x^2 + k^2}}\). 3. Zweite Ableitung mit Quotientenregel oder Produktregel: \(g_k''(x) = \frac{1}{k} \cdot \frac{1 \cdot \sqrt{x^2 + k^2} - x \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2 + k^2}}}{x^2 + k^2} = \frac{1}{k} \cdot \frac{x^2 + k^2 - x^2}{(x^2 + k^2)^{1{,}5}} = \frac{k}{(x^2 + k^2)^{1{,}5}}\). 4. Bedingung einsetzen: \(g_k''(0) = \frac{k}{(0^2 + k^2)^{1{,}5}} = \frac{k}{k^3} = \frac{1}{k^2}\). 5. Gleichung lösen: \(\frac{1}{k^2} = 4 \implies k^2 = 0{,}25\). Da \(k > 0\), ergibt sich \(k = 0{,}5\).

a) \(D_k = \mathbb{R}\) b) \(g_k''(x) = \frac{k}{(x^2 + k^2)^{1{,}5}}\) oder \(g_k''(x) = \frac{k}{\sqrt{(x^2 + k^2)^3}}\) c) \(k = 0{,}5\)

- Untersuche das Verhalten der Funktion, wenn \(x\) gegen den Rand des Definitionsbereichs strebt. - Welche Bedingung muss für die erste Ableitung an einer Extremstelle gelten? - Setze die gefundene Stelle in die Funktionsgleichung ein, um den zugehörigen Wert zu erhalten. - Betrachte die Terme der Koordinaten einzeln und überlege, wie sie sich verhalten, wenn der Parameter wächst.

1. Bestimmung der senkrechten Asymptote: Für \(x \to 0^+\) gilt \(\frac{x}{k} \to 0\) und \(\ln(x) \to -\infty\), woraus \(f_k(x) \to \infty\) folgt. Es existiert eine senkrechte Asymptote bei \(x = 0\). 2. Berechnung der ersten Ableitung: \(f_k'(x) = \frac{1}{k} - \frac{1}{x}\). 3. Bestimmung der Extremstelle: \(f_k'(x) = 0 \implies \frac{1}{x} = \frac{1}{k} \implies x = k\). 4. Überprüfung der Art des Extrempunkts: \(f_k''(x) = \frac{1}{x^2}\). Da \(f_k''(k) = \frac{1}{k^2} > 0\), liegt ein Tiefpunkt vor. 5. Berechnung der \(y\)-Koordinate: \(f_k(k) = \frac{k}{k} - \ln(k) = 1 - \ln(k)\). Der Tiefpunkt ist \(T(k \mid 1 - \ln(k))\). 6. Analyse der Parameterabhängigkeit: Mit steigendem \(k\) nimmt die \(x\)-Koordinate \(k\) zu und die \(y\)-Koordinate \(1 - \ln(k)\) ab. Der Tiefpunkt wandert also nach rechts unten.

a) Senkrechte Asymptote bei \(x = 0\). b) Der Tiefpunkt liegt bei \(T(k \mid 1 - \ln(k))\). c) Wenn \(k\) vergrößert wird, wandert der Tiefpunkt nach rechts (größere \(x\)-Werte) und nach unten (kleinere \(y\)-Werte).

- Was bedeutet eine waagerechte Tangente für die Steigung der Funktion an dieser Stelle? - Welche Bedingung muss für das Argument einer Logarithmusfunktion erfüllt sein? - Wie verhält sich der Logarithmus, wenn sein Argument gegen null geht? - Welche Kriterien kennst du, um die Art eines Extrempunktes nachzuweisen?

1. Ableitung bilden: Unter Verwendung der Kettenregel ergibt sich \(f_k'(x) = \frac{k - 2x}{kx - x^2}\). 2. Bedingung für waagerechte Tangente anwenden: \(f_k'(2) = 0\) führt auf die Gleichung \(k - 2 \cdot 2 = 0\), woraus \(k = 4\) folgt. 3. Definitionsmenge bestimmen: Für \(k = 4\) muss das Argument des Logarithmus positiv sein, also \(4x - x^2 > 0\). Die Nullstellen von \(x(4 - x)\) liegen bei \(0\) und \(4\). Da die Parabel nach unten geöffnet ist, gilt \(D_f = ]0; 4[\). 4. Asymptoten bestimmen: An den Rändern des Definitionsbereichs strebt das Argument gegen \(0\). Da \(\lim_{u \to 0^+} \ln(u) = -\infty\), gilt \(\lim_{x \to 0^+} f_4(x) = -\infty\) und \(\lim_{x \to 4^-} f_4(x) = -\infty\). Die senkrechten Asymptoten sind \(x = 0\) und \(x = 4\). 5. Art des Extremums bestimmen: Die zweite Ableitung lautet \(f_4''(x) = \frac{-2(4x - x^2) - (4 - 2x)^2}{(4x - x^2)^2}\). Einsetzen von \(x = 2\) ergibt \(f_4''(2) = \frac{-2(8 - 4) - 0}{4^2} = \frac{-8}{16} = -0{,}5\). Da \(f_4''(2) < 0\), handelt es sich um einen lokalen Hochpunkt.

a) \(k = 4\) b) \(D_f = ]0; 4[\); senkrechte Asymptoten: \(x = 0\) und \(x = 4\) c) Wegen \(f_4'(2) = 0\) und \(f_4''(2) = -0{,}5 < 0\) ist der Punkt ein Hochpunkt.

- Was passiert mit dem Logarithmus, wenn du für \( x \) den Wert \( 1 \) einsetzt? - Erinnere dich an die Definition des Logarithmus: Wie kannst du eine Gleichung der Form \( \log_b(x) = y \) als Potenz schreiben? - Überlege dir die grundlegende Eigenschaft einer Funktion bezüglich der Zuordnung von \( x \)- und \( y \)-Werten.

1. Einsetzen von \( A(1 \mid 5) \) in die Funktionsgleichung: \( 5 = \log_b(1) + c \). Da \( \log_b(1) = 0 \) für alle zulässigen \( b \) gilt, folgt direkt \( c = 5 \). 2. Einsetzen von \( B(16 \mid 9) \) und \( c = 5 \): \( 9 = \log_b(16) + 5 \), woraus \( \log_b(16) = 4 \) folgt. 3. Umstellen der Logarithmusgleichung in die Potenzform: \( b^4 = 16 \). Da die Basis \( b \) positiv sein muss, ergibt sich \( b = \sqrt[4]{16} = 2 \). Die Funktionsgleichung lautet \( f(x) = \log_2(x) + 5 \). 4. Da \( \log_b(1) \) immer \( 0 \) ergibt, fällt der Term mit der Basis \( b \) bei \( x = 1 \) weg, wodurch \( c \) allein durch den \( y \)-Wert an dieser Stelle bestimmt wird. 5. Für die Punkte \( P \) und \( Q \) müsste gelten: \( f(2) = 3 \) und \( f(2) = 4 \). Da einer \( x \)-Koordinate in einer Funktion jedoch nur genau ein \( y \)-Wert zugeordnet werden darf, existiert keine solche Funktion.

a) \( c = 5 \) und \( b = 2 \). Die Funktion ist \( f(x) = \log_2(x) + 5 \). b) Da \( \log_b(1) = 0 \) für jede Basis gilt, bleibt in der Gleichung nur \( y = c \) übrig. c) Nein, da einer \( x \)-Koordinate (\( x = 2 \)) zwei verschiedene Funktionswerte zugeordnet werden müssten, was der Definition einer Funktion widerspricht.

- Setze die Koordinaten des gegebenen Punktes in die Funktionsgleichung ein, um den Parameter zu finden. - Welche Ableitungsregel musst du anwenden, um eine Wurzelfunktion mit innerem Term zu differenzieren? - Die Steigung der Tangente an einer Stelle entspricht dem Wert der ersten Ableitung an dieser Stelle. - Nutze die Punkt-Steigungs-Form, um die gesuchte Geradengleichung aufzustellen.

1. Bestimmung von \(k\) durch Punktprobe mit \(A(2 \mid 4)\): \(4 = \sqrt{k - 2^2} \implies 16 = k - 4 \implies k = 20\). 2. Ableitung der Funktion \(f_{20}(x) = \sqrt{20 - x^2}\) mit der Kettenregel: \(f_{20}'(x) = \frac{1}{2\sqrt{20 - x^2}} \cdot (-2x) = -\frac{x}{\sqrt{20 - x^2}}\). 3. Berechnung der Steigung an der Stelle \(x = 2\): \(m = f_{20}'(2) = -\frac{2}{\sqrt{20 - 4}} = -\frac{2}{\sqrt{16}} = -\frac{2}{4} = -0{,}5\). 4. Aufstellen der Tangentengleichung mit dem Punkt \(A(2 \mid 4)\): \(y = -0{,}5 \cdot (x - 2) + 4 = -0{,}5x + 1 + 4 = -0{,}5x + 5\).

a) \(k = 20\) b) \(y = -0{,}5x + 5\)

- Kannst du den Funktionsterm durch teilweises Ausklammern faktorisieren, um die Nullstellen leichter zu finden? - Erinnere dich an die Symmetriebedingung: Zwei Graphen sind punktsymmetrisch zum Ursprung, wenn der eine durch Spiegelung aller Punkte \((x \mid y)\) an \((0 \mid 0)\) in den anderen übergeht. Wie lautet die zugehörige Formel für die Funktionswerte? - Ersetze beim Aufstellen von \(g_{-k}\) jedes \(k\) im ursprünglichen Term konsequent durch \((-k)\) und achte auf die Vorzeichen bei den Potenzen.

1. Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse: \(g_k(0) = 0^3 + k \cdot 0^2 - k^2 \cdot 0 - k^3 = -k^3\). Schnittpunkt ist \(S_y(0 \mid -k^3)\). 2. Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse (Nullstellen): \(x^3 + kx^2 - k^2x - k^3 = 0\). Durch Ausklammern: \(x^2(x+k) - k^2(x+k) = (x^2-k^2)(x+k) = (x-k)(x+k)^2 = 0\). Die Nullstellen sind \(x_1 = k\) und \(x_2 = -k\) (doppelt). Schnittpunkte sind \(N_1(k \mid 0)\) und \(N_2(-k \mid 0)\). 3. Term für \(g_{-k}(x)\) aufstellen: \(g_{-k}(x) = x^3 + (-k)x^2 - (-k)^2x - (-k)^3 = x^3 - kx^2 - k^2x + k^3\). 4. Bedingung für Punktsymmetrie zum Ursprung zwischen zwei Graphen prüfen: \(g_{-k}(x) = -g_k(-x)\). 5. Rechter Teil der Gleichung: \(-g_k(-x) = -[(-x)^3 + k(-x)^2 - k^2(-x) - k^3] = -[-x^3 + kx^2 + k^2x - k^3] = x^3 - kx^2 - k^2x + k^3\). 6. Vergleich: Da \(g_{-k}(x) = -g_k(-x)\) gilt, sind die Graphen punktsymmetrisch zum Ursprung.

a) Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse: \(S_y(0 \mid -k^3)\). Schnittpunkte mit der \(x\)-Achse: \(N_1(k \mid 0)\) und \(N_2(-k \mid 0)\). b) Es gilt \(g_{-k}(x) = x^3 - kx^2 - k^2x + k^3\) und \(-g_k(-x) = x^3 - kx^2 - k^2x + k^3\). Da \(g_{-k}(x) = -g_k(-x)\), sind die Graphen punktsymmetrisch zum Ursprung.

- Welche Bedingungen müssen für die erste und zweite Ableitung an der Stelle eines Sattelpunktes gelten? - Stelle ein lineares Gleichungssystem für die Unbekannten auf. - Denk daran, dass ein Sattelpunkt ein spezieller Wendepunkt mit einer waagerechten Tangente ist. - Wie kannst du prüfen, ob es sich wirklich um einen Sattelpunkt und nicht etwa um ein Extremum handelt?

1. Ein Sattelpunkt an der Stelle \(x = 1\) erfordert die notwendigen Bedingungen \(f'(1) = 0\) und \(f''(1) = 0\). 2. Die Ableitungen lauten \(f'(x) = 4x^3 + 3ax^2 + 2bx\) und \(f''(x) = 12x^2 + 6ax + 2b\). 3. Durch Einsetzen von \(x = 1\) erhält man das lineare Gleichungssystem: I) \(4 + 3a + 2b = 0 \iff 3a + 2b = -4\) II) \(12 + 6a + 2b = 0 \iff 6a + 2b = -12\) 4. Subtraktion von (I) von (II) liefert \(3a = -8\), also \(a = -\frac{8}{3}\). 5. Einsetzen in (I) ergibt \(3(-\frac{8}{3}) + 2b = -4 \iff -8 + 2b = -4 \iff 2b = 4 \iff b = 2\). 6. Die hinreichende Bedingung \(f'''(1) \neq 0\) ist mit \(f'''(x) = 24x + 6a\) erfüllt, da \(f'''(1) = 24 + 6(-\frac{8}{3}) = 24 - 16 = 8 \neq 0\).

\(a = -\frac{8}{3}\) und \(b = 2\)

- Welche Funktionen sind hier miteinander multipliziert? - Erinnerst du dich an die Ableitung der e-Funktion mit einem Faktor im Exponenten? - Was muss für die Steigung an einem Extrempunkt gelten? - Wann genau hat ein Punkt im Koordinatensystem die Eigenschaft, auf der \(y\)-Achse zu liegen?

1. Anwendung der Produktregel mit \(u(x) = 2x - t\) (\(u'(x) = 2\)) und \(v(x) = e^{0{,}5x}\) (\(v'(x) = 0{,}5 e^{0{,}5x}\) nach der Kettenregel): \(f_t'(x) = 2 \cdot e^{0{,}5x} + (2x - t) \cdot 0{,}5 \cdot e^{0{,}5x} = e^{0{,}5x} \cdot (2 + x - 0{,}5t)\). 2. Notwendige Bedingung für ein Extremum: \(f_t'(x) = 0\). Da \(e^{0{,}5x} > 0\) für alle \(x\), muss gelten: \(2 + x - 0{,}5t = 0\). Dies führt zu \(x_E = 0{,}5t - 2\). Es gilt \(f_t''(x_E)=e^{0{,}5x_E}>0\); daher liegt dort ein lokales Minimum vor. 3. Ein Punkt liegt auf der \(y\)-Achse, wenn seine \(x\)-Koordinate null ist. Setze \(x_E = 0\): \(0{,}5t - 2 = 0 \implies 0{,}5t = 2 \implies t = 4\).

1. \(f_t'(x) = (x + 2 - 0{,}5t) \cdot e^{0{,}5x}\) 2. \(x_E = 0{,}5t - 2\) 3. \(t = 4\)

- Was bedeutet es für die Parameter, wenn ein Punkt auf dem Graphen liegt? - Wie berechnet man die Steigung an einer bestimmten Stelle? - Erinnerst du dich an die Kettenregel für Exponentialfunktionen? - Kannst du die Terme der Ableitungen so umformen, dass der ursprüngliche Funktionsterm wieder erkennbar wird?

1. Aus dem Punkt \(P(0 \mid 5)\) folgt \(f(0) = 5\). Einsetzen in \(f(x) = ae^{kx}\) ergibt \(a \cdot e^0 = 5\), also \(a = 5\). Die Ableitung lautet \(f'(x) = ake^{kx}\). Mit der Steigung \(-10\) bei \(x=0\) folgt \(f'(0) = 5 \cdot k \cdot e^0 = -10\), woraus sich \(k = -2\) ergibt. Die Funktion ist \(f(x) = 5e^{-2x}\). 2. Die erste Ableitung ist \(f'(x) = -10e^{-2x}\). Erneutes Ableiten unter Verwendung der Kettenregel ergibt \(f''(x) = -10 \cdot (-2) \cdot e^{-2x} = 20e^{-2x}\). 3. Ein Vergleich von \(f''(x) = 20e^{-2x}\) mit \(4f(x) = 4 \cdot (5e^{-2x}) = 20e^{-2x}\) bestätigt die Gleichheit \(f''(x) = 4f(x)\).

1. \(a = 5\); \(k = -2\) 2. \(f''(x) = 20e^{-2x}\) 3. Nachweis durch Einsetzen: \(20e^{-2x} = 4 \cdot (5e^{-2x})\)

- Kannst du den Funktionsterm durch Ausklammern faktorisieren? - Behandle den Parameter \(a\) beim Ableiten wie eine gewöhnliche Zahl. - Welche Umkehroperation benötigst du, um eine Gleichung der Form \(e^x = c\) nach \(x\) aufzulösen? - Vergiss nicht, dass der Logarithmus nur für positive Argumente definiert ist. - Wie kannst du Logarithmengesetze nutzen, um den Ausdruck \(\ln(\frac{a}{2})\) anders zu schreiben?

1. Nullstellen berechnen: \(f_a(x) = 0 \iff e^x(e^x - a) = 0\). Da \(e^x \neq 0\), folgt \(e^x = a\) und damit \(x = \ln(a)\). Die Nullstelle liegt bei \(N(\ln(a) \mid 0)\). 2. Ableitungen bilden: \(f_a'(x) = 2e^{2x} - ae^x = e^x(2e^x - a)\). Die zweite Ableitung ist \(f_a''(x) = 4e^{2x} - ae^x\). 3. Extremstellen bestimmen: \(f_a'(x) = 0 \iff 2e^x - a = 0 \iff e^x = \frac{a}{2}\), also \(x = \ln(\frac{a}{2})\). 4. Art des Extremums: Einsetzen in die zweite Ableitung ergibt \(f_a''(\ln(\frac{a}{2})) = 4(\frac{a}{2})^2 - a(\frac{a}{2}) = a^2 - \frac{a^2}{2} = \frac{a^2}{2}\). Da \(a > 0\), ist \(\frac{a^2}{2} > 0\), es handelt sich um einen Tiefpunkt. 5. \(y\)-Koordinate berechnen: \(f_a(\ln(\frac{a}{2})) = (\frac{a}{2})^2 - a(\frac{a}{2}) = \frac{a^2}{4} - \frac{a^2}{2} = -\frac{a^2}{4}\). Der Tiefpunkt ist \(T(\ln(\frac{a}{2}) \mid -\frac{a^2}{4})\).

Nullstelle: \(N(\ln(a) \mid 0)\) Extrempunkt: Tiefpunkt \(T(\ln(\frac{a}{2}) \mid -\frac{a^2}{4})\) oder \(T(\ln(a) - \ln(2) \mid -0{,}25a^2)\)

- Wann hat die Gleichung \(e^x = c\) eine Lösung für \(x\)? - Denk bei der Gleichung \(u^2 = v^2\) daran, dass es zwei Fälle für die Basis geben kann. - Was muss für die Steigung an einer Stelle gelten, wenn dort eine waagerechte Tangente vorliegt?

1. Die Ableitung lautet \(f_a'(x) = 2(a - e^x) \cdot (-e^x) = -2e^x(a - e^x)\). Notwendige Bedingung \(f_a'(x) = 0\) führt auf \(e^x = a\). Da \(e^x > 0\), existiert eine Lösung nur für \(a > 0\). Diese lautet \(x = \ln(a)\). Die zweite Ableitung \(f_a''(x) = 4e^{2x} - 2ae^x\) ergibt an der Stelle \(x = \ln(a)\) den Wert \(f_a''(\ln(a)) = 4a^2 - 2a^2 = 2a^2 > 0\), was einen Tiefpunkt bestätigt. Der Funktionswert ist \(f_a(\ln(a)) = (a - a)^2 = 0\). Somit existiert für \(a > 0\) der Tiefpunkt \(T(\ln(a) \mid 0)\). 2. Gleichsetzen der Funktionsterme: \((a_1 - e^x)^2 = (a_2 - e^x)^2\). Dies führt auf \(|a_1 - e^x| = |a_2 - e^x|\). Da \(a_1 \neq a_2\), muss \(a_1 - e^x = -(a_2 - e^x) = e^x - a_2\) gelten. Daraus folgt \(2e^x = a_1 + a_2\) bzw. \(e^x = \frac{a_1 + a_2}{2}\). Ein Schnittpunkt existiert also genau dann, wenn \(a_1 + a_2 > 0\) gilt. Die \(x\)-Koordinate ist \(x = \ln\left(\frac{a_1 + a_2}{2}\right)\). 3. Waagerechte Tangente bei \(x = 0\) bedeutet \(f_a'(0) = 0\). Einsetzen ergibt \(-2e^0(a - e^0) = -2(a - 1) = 0\), woraus \(a = 1\) folgt.

1. Ein Tiefpunkt existiert nur für \(a > 0\) bei \(T(\ln(a) \mid 0)\). 2. Bedingung: \(a_1 + a_2 > 0\); \(x\)-Koordinate: \(x = \ln\left(\frac{a_1 + a_2}{2}\right)\). 3. \(a = 1\).

- Welche Ableitung benötigst du, um Wendestellen zu untersuchen? - Denk daran, dass die Exponentialfunktion \(e^x\) niemals null oder negativ wird. - Unter welcher Bedingung ist die Gleichung \(e^x = c\) für eine Konstante \(c\) lösbar? - Wie kannst du die Rechenregeln für Logarithmen nutzen, um den \(y\)-Wert zu vereinfachen?

1. Zur Bestimmung der Wendestellen wird die zweite Ableitung benötigt: \(f_a'(x) = e^x - 2ae^{2x}\) \(f_a''(x) = e^x - 4ae^{2x}\) Die notwendige Bedingung \(f_a''(x) = 0\) führt auf: \(e^x - 4ae^{2x} = 0 \iff e^x \cdot (1 - 4a \cdot e^x) = 0\) Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), muss \(1 - 4a \cdot e^x = 0\) gelten, woraus \(e^x = \frac{1}{4a}\) folgt. Diese Gleichung ist nur lösbar, wenn \(\frac{1}{4a} > 0\), also \(a > 0\). Da \(f_a''(x)\) an dieser Stelle einen Vorzeichenwechsel aufweist (da es sich um eine einfache Nullstelle der Form \(c \cdot (k - e^x)\) handelt), existiert für \(a > 0\) genau eine Wendestelle. 2. Berechnung der Koordinaten des Wendepunkts für \(a > 0\): Die \(x\)-Koordinate ist \(x_W = \ln\left(\frac{1}{4a}\right) = -\ln(4a)\). Einsetzen in \(f_a(x)\): \(y_W = f_a(x_W) = e^{\ln\left(\frac{1}{4a}\right)} - a \cdot \left(e^{\ln\left(\frac{1}{4a}\right)}\right)^2 = \frac{1}{4a} - a \cdot \left(\frac{1}{4a}\right)^2 = \frac{1}{4a} - \frac{a}{16a^2} = \frac{4}{16a} - \frac{1}{16a} = \frac{3}{16a}\). Der Wendepunkt ist somit \(W\left(-\ln(4a) \mid \frac{3}{16a}\right)\).

1. Die Bedingung \(f_a''(x) = 0\) führt zu \(e^x = \frac{1}{4a}\), was nur für \(a > 0\) eine Lösung besitzt. Ein Vorzeichenwechsel liegt vor. 2. Der Wendepunkt liegt bei \(W\left(-\ln(4a) \mid \frac{3}{16a}\right)\).

- Welche Gleichung musst du lösen, um mögliche Extremstellen zu finden? - Überlege dir, für welche Werte von \(a\) die Gleichung \(e^{2x} = a\) eine Lösung besitzt. - Wie hängen die Ableitungen \(f_a'(x)\) und \(f_a''(x)\) bei dieser speziellen Funktion zusammen? - Was sagt das Vorzeichen von \(a\) über die Existenz von Nullstellen der zweiten Ableitung aus?

1. Ableitungen bestimmen: \(f_a'(x) = e^x - ae^{-x}\) und \(f_a''(x) = e^x + ae^{-x}\). Die notwendige Bedingung für Extrema \(f_a'(x) = 0\) führt auf \(e^{2x} = a\). Diese Gleichung hat für \(a > 0\) genau eine Lösung \(x_E = \frac{1}{2} \ln(a)\) und für \(a < 0\) keine Lösung, da die Exponentialfunktion nur positive Werte annimmt. Somit gibt es für \(a > 0\) genau eine Extremstelle und für \(a < 0\) keine. 2. Für \(a > 0\) gilt \(f_a''(x_E) = e^{\frac{1}{2}\ln(a)} + a \cdot e^{-\frac{1}{2}\ln(a)} = \sqrt{a} + \frac{a}{\sqrt{a}} = 2\sqrt{a} > 0\). Es liegt somit ein lokales Minimum (Tiefpunkt) vor. Die y-Koordinate ist \(f_a(x_E) = \sqrt{a} + \frac{a}{\sqrt{a}} = 2\sqrt{a}\). Der Tiefpunkt ist \(T\left(\frac{1}{2}\ln(a) \mid 2\sqrt{a}\right)\). 3. Die notwendige Bedingung für Wendepunkte \(f_a''(x) = 0\) führt auf \(e^x + ae^{-x} = 0\), also \(e^{2x} = -a\). Da für \(a < 0\) der Ausdruck \(-a\) positiv ist, existiert genau eine Lösung \(x_W = \frac{1}{2} \ln(-a)\). Da die dritte Ableitung \(f_a'''(x) = e^x - ae^{-x}\) an dieser Stelle den Wert \(f_a'''(x_W) = \sqrt{-a} - \frac{a}{\sqrt{-a}} = 2\sqrt{-a} \neq 0\) annimmt, ist ein Wendepunkt nachgewiesen.

1. Für \(a > 0\) gibt es genau eine Extremstelle, für \(a < 0\) keine. 2. Tiefpunkt bei \(T\left(\frac{1}{2}\ln(a) \mid 2\sqrt{a}\right)\). 3. Die Bedingung \(f_a''(x) = 0\) ergibt für \(a < 0\) die einzige Lösung \(x_W = \frac{1}{2}\ln(-a)\), wobei \(f_a'''(x_W) \neq 0\) gilt.

- Nutze die Gleichheit \(\ln u=0\iff u=1\) für die Nullstellen. - Für Wendepunkte muss die zweite Ableitung ihr Vorzeichen wechseln. - Für eine Berührung der \(x\)-Achse reicht eine Nullstelle mit waagrechter Tangente als bloße notwendige Bedingung nicht; prüfe zusätzlich das lokale Verhalten.

1. \(f_k(-x)=f_k(x)\), also Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse. Für \(x\to\pm\infty\) gilt \(f_k(x)\to\infty\). 2. \(\ln(x^2+k)=0\iff x^2=1-k\). Daher gibt es für \(0<k<1\) zwei, für \(k=1\) eine und für \(k>1\) keine Nullstelle. 3. \(f_k'(x)=\frac{2x}{x^2+k}\), \(f_k''(x)=\frac{2k-2x^2}{(x^2+k)^2}\). Die Nullstellen von \(f_k''\) sind \(x=\pm\sqrt k\). Der Zähler \(2(k-x^2)\) wechselt an beiden einfachen Nullstellen sein Vorzeichen; daher sind beide Stellen Wendestellen. 4. Für eine Berührung im Ursprung muss zunächst \(f_k(0)=0\) gelten. Daraus folgt \(\ln k=0\) und damit \(k=1\). Für \(k=1\) gilt \(f_1(x)=\ln(x^2+1)\ge0\) mit Gleichheit nur bei \(x=0\). Somit besitzt der Graph dort ein lokales Minimum auf der \(x\)-Achse und berührt sie tatsächlich.

1. Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse; \(f_k(x)\to\infty\) für \(x\to\pm\infty\) 2. Zwei Nullstellen für \(0<k<1\), eine für \(k=1\), keine für \(k>1\) 3. Wendestellen \(x=\pm\sqrt k\) 4. \(k=1\)

- Was muss für das Argument einer Logarithmusfunktion immer gelten? - Untersuche, was passiert, wenn sich \(x^2\) dem Wert \(a\) annähert. - Nutze die Kettenregel für die erste und die Quotientenregel für die zweite Ableitung. - Schau dir das Vorzeichen des Zählers der zweiten Ableitung genau an – kann dieser jemals Null werden?

1. Definitionsbereich: \(a - x^2 > 0 \iff x^2 < a \iff |x| < \sqrt{a}\). Damit ist \(D = ]-\sqrt{a}; \sqrt{a}[\). An den Rändern \(x \to \pm \sqrt{a}\) nähert sich das Argument \(a - x^2\) dem Wert \(0\) von oben an, daher gilt \(\lim_{x \to -\sqrt{a}^{+}} g_a(x)=-\infty\) und \(\lim_{x \to \sqrt{a}^{-}} g_a(x)=-\infty\). Es liegen senkrechte Asymptoten bei \(x=-\sqrt{a}\) und \(x=\sqrt{a}\) vor. 2. Erste Ableitung: \(g_a'(x) = \frac{-2x}{a - x^2}\). Extrempunktbedingung: \(g_a'(x) = 0 \iff -2x = 0 \iff x = 0\). Zweite Ableitung: \(g_a''(x) = \frac{-2(a - x^2) - (-2x)(-2x)}{(a - x^2)^2} = \frac{-2a + 2x^2 - 4x^2}{(a - x^2)^2} = \frac{-2a - 2x^2}{(a - x^2)^2}\). Einsetzen: \(g_a''(0) = \frac{-2a}{a^2} = -\frac{2}{a} < 0\) (da \(a > 0\)). Es liegt ein lokales (und globales) Maximum im Punkt \(H(0 \mid \ln a)\) vor. 3. Wendepunkte erfordern \(g_a''(x) = 0\). \(\frac{-2a - 2x^2}{(a - x^2)^2} = 0 \iff -2(a + x^2) = 0 \iff x^2 = -a\). Da \(a > 0\), ist \(-a\) negativ. Die Gleichung \(x^2 = -a\) besitzt im Reellen keine Lösung. Folglich gibt es keine Stellen mit \(g_a''(x) = 0\) und somit keine Wendepunkte.

1. \(D=]-\sqrt{a};\sqrt{a}[\); an beiden Randstellen streben die Funktionswerte innerhalb des Definitionsbereichs gegen \(-\infty\). 2. Hochpunkt bei \(H(0 \mid \ln a)\). 3. Die Bedingung \(g_a''(x)=0\) führt auf \(x^2=-a\), was für \(a>0\) keine reelle Lösung hat.

- Welche Ableitungsregeln brauchst du für das Produkt aus einem linearen Faktor und einem Exponentialterm? - Prüfe bei einer gefundenen Extrem- oder Wendestelle auch eine hinreichende Bedingung. - Wo liegt die Nullstelle von \(g_a\) in Abhängigkeit von \(a\)? - Welche Gleichung entsteht, wenn du die Tangentensteigung an dieser Nullstelle mit \(e\) gleichsetzt?

1. Mit Produkt- und Kettenregel erhält man \(g_a'(x)=(0{,}5x-0{,}5a+1)e^{0{,}5x}\) und \(g_a''(x)=(0{,}25x-0{,}25a+1)e^{0{,}5x}\). 2. Aus \(g_a'(x)=0\) folgt \(x_E=a-2\). Es gilt \(g_a''(a-2)=0{,}5e^{0{,}5(a-2)}>0\). Daher liegt ein Tiefpunkt vor. Sein Funktionswert ist \(g_a(a-2)=-2e^{0{,}5a-1}\). Somit gilt \(T(a-2\mid-2e^{0{,}5a-1})\). 3. Aus \(g_a''(x)=0\) folgt \(x_W=a-4\). Der lineare Faktor \(0{,}25x-0{,}25a+1\) wechselt an dieser Stelle sein Vorzeichen; wegen \(e^{0{,}5x}>0\) wechselt damit auch \(g_a''\) das Vorzeichen. Also liegt tatsächlich ein Wendepunkt vor. Es gilt \(g_a(a-4)=-4e^{0{,}5a-2}\), also \(W(a-4\mid-4e^{0{,}5a-2})\). 4. Die Nullstelle von \(g_a\) liegt bei \(x=a\). Dort ist \(g_a'(a)=e^{0{,}5a}\). Die Bedingung \(e^{0{,}5a}=e\) liefert \(0{,}5a=1\) und damit \(a=2\).

a) Tiefpunkt \(T(a-2\mid-2e^{0{,}5a-1})\); Wendepunkt \(W(a-4\mid-4e^{0{,}5a-2})\) b) \(a=2\)

- Welche Bedingung an den Nenner legt die Polstelle fest? - Welche Ableitungsregel brauchst du, nachdem der Nenner bestimmt ist? - Welche weiteren Nullstellen besitzt die erste Ableitung, und wie ändert sich dort ihr Vorzeichen? - Wie kannst du den Funktionsterm in eine lineare Funktion plus Restterm zerlegen?

1. Für eine Polstelle bei \(x=1\) muss \(1+b=0\) gelten. Daher ist \(b=-1\) und \(f(x)=\frac{x^2+a}{x-1}\). 2. Mit der Quotientenregel folgt \(f'(x)=\frac{x^2-2x-a}{(x-1)^2}\). Aus \(f'(3)=0\) ergibt sich \(a=3\). 3. Dann gilt \(f'(x)=\frac{(x-3)(x+1)}{(x-1)^2}\). Bei \(x=3\) wechselt \(f'\) von negativ zu positiv, also liegt \(T(3\mid6)\) vor. Bei \(x=-1\) wechselt \(f'\) von positiv zu negativ, also liegt \(H(-1\mid-2)\) vor. 4. Die senkrechte Asymptote ist \(x=1\). Durch Polynomdivision erhält man \(f(x)=x+1+\frac{4}{x-1}\); daher ist \(y=x+1\) die schräge Asymptote.

a) \(a=3\), \(b=-1\); Tiefpunkt \(T(3 \mid 6)\) b) Hochpunkt \(H(-1 \mid -2)\); Asymptoten \(x=1\) und \(y=x+1\)

- Die Punktbedingung und die Tangentenbedingung liefern zwei unabhängige Beziehungen für die Parameter. - Eine waagerechte Tangente bedeutet, dass die erste Ableitung an der betreffenden Stelle den Wert \(0\) hat. - Nach dem Bestimmen der Parameter hilft eine Darstellung als Gerade plus Restterm bei der Asymptote. - Für das Verhalten an der Polstelle genügt eine Vorzeichenanalyse unmittelbar links und rechts davon.

a) Aus \(f(4)=8\) folgt \(\frac{16a+4b}{2}=8\), also \(4a+b=4\). Die erste Ableitung ist \(f'(x)=\frac{ax^2-4ax-2b}{(x-2)^2}\). Eine waagerechte Tangente bei \(x=0\) bedeutet \(f'(0)=0\), also \(b=0\). Damit folgt aus \(4a+b=4\) der Wert \(a=1\). b) Für diese Parameter ist \(f(x)=\frac{x^2}{x-2}=x+2+\frac4{x-2}\). Weil der Restterm für \(x\to\pm\infty\) gegen \(0\) strebt, ist \(y=x+2\) die schräge Asymptote. An \(x=2\) ist der Zähler positiv. Der Nenner ist links von \(2\) negativ und rechts davon positiv. Deshalb gilt \(\lim_{x\to2^-}f(x)=-\infty\) und \(\lim_{x\to2^+}f(x)=+\infty\).

a) \(a=1\), \(b=0\) b) Schräge Asymptote \(y=x+2\); \(\lim_{x\to2^-}f(x)=-\infty\), \(\lim_{x\to2^+}f(x)=+\infty\)

- Welche beiden Bedingungen liefert ein vorgegebener Tiefpunkt mit festen Koordinaten? - Welche Ableitungsregel brauchst du für die Funktionenschar? - Wie kannst du die beiden Parameter aus den entstehenden Gleichungen bestimmen? - Wie überprüfst du anschließend die Art des stationären Punktes?

1. Aus \(f_{a,b}(-2)=-1\) folgt \(-2a+b=-5\), also \(b=2a-5\). 2. Mit der Quotientenregel erhält man \(f_{a,b}'(x)=\frac{-ax^2-2bx+a}{(x^2+1)^2}\). Aus \(f_{a,b}'(-2)=0\) folgt \(-3a+4b=0\). 3. Einsetzen von \(b=2a-5\) liefert \(a=4\) und damit \(b=3\). 4. Für diese Parameter gilt \(f''(-2)=0{,}4>0\). Somit ist \(T(-2\mid-1)\) tatsächlich ein Tiefpunkt.

\(a=4\) und \(b=3\); wegen \(f''(-2)=0{,}4>0\) liegt tatsächlich ein Tiefpunkt vor.

- Bestimme die Wendestelle eines allgemeinen Scharmitglieds in Abhängigkeit vom Parameter. - Prüfe, ob die zweite Ableitung an dieser Stelle wirklich ihr Vorzeichen wechselt. - Für einen Sattelpunkt kommt zur Wendepunktbedingung eine Bedingung an die erste Ableitung hinzu.

1. Es gilt \(f_k(x)=x+\frac{3}{x}+\frac{k}{x^2}\), \(f_k'(x)=1-\frac{3}{x^2}-\frac{2k}{x^3}\) und \(f_k''(x)=\frac{6x+6k}{x^4}\). 2. Aus \(f_k''(x)=0\) folgt \(x_W=-k\). Wegen \(k>0\) gehört diese Stelle zum Definitionsbereich. 3. Der Zähler \(6x+6k\) hat bei \(x=-k\) eine einfache Nullstelle und der Nenner \(x^4\) ist positiv. Daher wechselt \(f_k''\) dort das Vorzeichen; jedes Scharmitglied besitzt genau einen Wendepunkt. 4. Für einen Sattelpunkt muss zusätzlich \(f_k'(-k)=0\) gelten. Es ist \(f_k'(-k)=1-\frac{1}{k^2}\). 5. Aus \(1-\frac{1}{k^2}=0\) folgt \(k^2=1\). Wegen \(k>0\) ist \(k=1\).

a) Jede Funktion besitzt genau eine Wendestelle bei \(x=-k\). b) Der Wendepunkt ist für \(k=1\) ein Sattelpunkt.

- Erinnere dich an das Additionstheorem für die Sinusfunktion: \(\sin(x + \beta) = \sin(x)\cos(\beta) + \cos(x)\sin(\beta)\). - Wie hängen die Koeffizienten vor \(\sin(x)\) und \(\cos(x)\) mit der Amplitude eines zusammengesetzten harmonischen Signals zusammen? - Für den Phasenwinkel \(\phi\) ist es hilfreich, das Vorzeichen der Koeffizienten zu beachten, um den richtigen Quadranten zu bestimmen. - Überlege, wie du eine Gleichung mit einer Wurzel am besten nach der gesuchten Variablen auflöst.

1. Mithilfe der Additionstheoreme gilt \(A \cdot \sin(x + \phi) = A \cos(\phi) \cdot \sin(x) + A \sin(\phi) \cdot \cos(x)\). Durch Koeffizientenvergleich mit \(f_k(x)\) folgt \(A \cos(\phi) = k+2\) und \(A \sin(\phi) = k\). 2. Die Amplitude berechnet sich durch \(A(k) = \sqrt{(k+2)^2 + k^2}\). Vereinfacht ergibt dies \(A(k) = \sqrt{2k^2 + 4k + 4}\). Da der Radikand für alle \(k\) positiv ist (\(2(k+1)^2 + 2 > 0\)), existiert stets eine solche Darstellung. 3. Für \(k = 1\) ergibt sich \(A = \sqrt{2 \cdot 1^2 + 4 \cdot 1 + 4} = \sqrt{10}\). 4. Bestimmung von \(\phi\) für \(k=1\): \(\cos(\phi) = \frac{3}{\sqrt{10}}\) und \(\sin(\phi) = \frac{1}{\sqrt{10}}\). Da beide Werte positiv sind, liegt \(\phi\) im ersten Quadranten: \(\phi = \arcsin\left(\frac{1}{\sqrt{10}}\right) \approx 0{,}32\). 5. Ansatz für die Amplitude \(\sqrt{20}\): \(\sqrt{2k^2 + 4k + 4} = \sqrt{20}\). Quadrieren führt auf \(2k^2 + 4k + 4 = 20\), also \(k^2 + 2k - 8 = 0\). 6. Lösen der quadratischen Gleichung ergibt \(k_1 = 2\) und \(k_2 = -4\).

a) \(A(k) = \sqrt{2k^2 + 4k + 4}\) b) \(A = \sqrt{10} \approx 3{,}16\); \(\phi \approx 0{,}32\) c) \(k_1 = 2\); \(k_2 = -4\)

- Welche mathematischen Bedingungen lassen sich aus den Formulierungen „schneidet die y-Achse“, „geht durch den Punkt“ und „hat die Steigung“ ableiten? - Leite die allgemeine Funktionsgleichung einmal ab, um die Bedingung für die Steigung nutzen zu können. - Setze die bekannten Werte für Sinus und Kosinus an den Stellen \(0\), \(\frac{\pi}{2}\) und \(\pi\) ein. - Du erhältst ein System aus linearen Gleichungen für die Unbekannten \(a\), \(b\) und \(c\).

1. Aufstellen der Bedingungen aus den gegebenen Eigenschaften: \(f(0) = 4\), \(f'(0) = 2\) und \(f\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1\). 2. Berechnung der Ableitung: \(f'(x) = a\cos x - 2b\sin(2x)\). 3. Einsetzen von \(x = 0\) in die Ableitung: \(f'(0) = a \cdot 1 - 2b \cdot 0 = 2\), woraus \(a = 2\) folgt. 4. Einsetzen von \(x = 0\) in die Funktionsgleichung: \(f(0) = a \cdot 0 + b \cdot 1 + c = 4\), also \(b + c = 4\). 5. Einsetzen des Punktes \(P\) mit \(a = 2\): \(f\left(\frac{\pi}{2}\right) = 2 \cdot \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) + b \cdot \cos(\pi) + c = 1\). Mit \(\sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1\) und \(\cos(\pi) = -1\) ergibt sich \(2 - b + c = 1\), also \(-b + c = -1\). 6. Lösen des linearen Gleichungssystems: Aus \(b + c = 4\) und \(-b + c = -1\) folgt durch Addition \(2c = 3\), also \(c = 1{,}5\). Einsetzen in die erste Gleichung ergibt \(b + 1{,}5 = 4\), also \(b = 2{,}5\). 7. Die gesuchten Parameter sind \(a = 2\), \(b = 2{,}5\) und \(c = 1{,}5\).

Die Parameter lauten \(a = 2\), \(b = 2{,}5\) und \(c = 1{,}5\). Die Funktion ist \(f(x) = 2 \sin x + 2{,}5 \cos(2x) + 1{,}5\).

- Überlege dir, wie sich eine Änderung von \(k\) auf die Lage des Graphen im Koordinatensystem auswirkt. - Was bedeutet es für den Funktionswert an einer Stelle, wenn der Graph dort die \(x\)-Achse berührt? - Skizziere grob den Verlauf einer Funktion 4. Grades mit zwei Tiefpunkten und einem Hochpunkt. Wie viele Nullstellen sind jeweils möglich, wenn du den Graphen nach oben oder unten verschiebst? - Wann liegt ein Punkt unterhalb, wann oberhalb und wann genau auf der \(x\)-Achse?

1. Ableitungen bilden: \(f_k'(x) = 4x^3 - 20x\) und \(f_k''(x) = 12x^2 - 20\). 2. Notwendige Bedingung für Extrema \(f_k'(x) = 0\) liefert \(4x(x^2 - 5) = 0\), also \(x_1 = 0\), \(x_2 = \sqrt{5}\) und \(x_3 = -\sqrt{5}\). 3. Art der Extrema prüfen: \(f_k''(0) = -20 < 0 \Rightarrow H(0 \mid k)\) ist ein Hochpunkt. \(f_k''(\pm \sqrt{5}) = 40 > 0 \Rightarrow T_1(-\sqrt{5} \mid k-25)\) und \(T_2(\sqrt{5} \mid k-25)\) sind Tiefpunkte. 4. Bedingung für Berühren der \(x\)-Achse in den Tiefpunkten: Der Funktionswert an den Tiefpunkten muss Null sein. \(k - 25 = 0 \Rightarrow k = 25\). 5. Drei verschiedene Nullstellen treten auf, wenn der Hochpunkt genau auf der \(x\)-Achse liegt und die Tiefpunkte darunter. Dies ist für \(k = 0\) der Fall (Nullstellen bei \(0\) und \(\pm \sqrt{10}\)). 6. Keine Lösung der Gleichung \(f_k(x) = 0\) bedeutet, dass der gesamte Graph oberhalb der \(x\)-Achse verlaufen muss. Da die Tiefpunkte die absolut kleinsten Werte annehmen, muss gelten: \(k - 25 > 0\), also \(k > 25\).

a) Hochpunkt \(H(0 \mid k)\), Tiefpunkte \(T_1(-\sqrt{5} \mid k-25)\) und \(T_2(\sqrt{5} \mid k-25)\). b) \(k = 25\). c) Für \(k = 0\). d) Für \(k > 25\).

- Wie kannst du prüfen, ob eine bestimmte Funktion in einer Schar enthalten ist? - Um die gegenseitige Lage zu bestimmen, solltest du die Differenzfunktion \(d(x) = f_k(x) - g(x)\) betrachten. - Achte bei der Ungleichungsbetrachtung darauf, wie sich das Vorzeichen von \(k\) auf das Ergebnis auswirkt. - Überlege dir, was eine doppelte Nullstelle der Differenzfunktion für die geometrische Lage bedeutet.

1. Für \(k = 2\) ergibt sich \(f_2(x) = \frac{2}{4}x^3 - 2x^2 + x = \frac{1}{2}x^3 - 2x^2 + x\). Dies entspricht der Funktion \(f\). 2. Schnittpunkte berechnen: \(f_k(x) = x \Rightarrow \frac{k}{4}x^3 - kx^2 + x = x \Rightarrow \frac{k}{4}x^3 - kx^2 = 0\). 3. Ausklammern: \(kx^2(\frac{1}{4}x - 1) = 0\). Da \(k \neq 0\), sind die Lösungen \(x_1 = 0\) (doppelte Nullstelle, also Berührpunkt) und \(x_2 = 4\). Die Schnittpunkte sind \(S_1(0|0)\) und \(S_2(4|4)\). 4. Differenzfunktion untersuchen: \(d(x) = f_k(x) - x = kx^2(\frac{1}{4}x - 1)\). Der Faktor \(x^2\) ist für alle \(x \neq 0\) positiv. Das Vorzeichen von \(d(x)\) hängt also von \(k\) und dem Term \((\frac{1}{4}x - 1)\) ab. 5. Fallunterscheidung \(k > 0\): Für \(x < 4\) (und \(x \neq 0\)) ist \(d(x) < 0\), der Graph liegt unterhalb von \(g\). Für \(x > 4\) ist \(d(x) > 0\), der Graph liegt oberhalb von \(g\). 6. Fallunterscheidung \(k < 0\): Für \(x < 4\) (und \(x \neq 0\)) ist \(d(x) > 0\), der Graph liegt oberhalb von \(g\). Für \(x > 4\) ist \(d(x) < 0\), der Graph liegt unterhalb von \(g\).

a) Für \(k = 2\) gilt \(f_2(x) = f(x)\). b) Schnittpunkte sind \(S_1(0|0)\) und \(S_2(4|4)\). Für \(k > 0\): Unterhalb für \(x \in (-\infty; 0) \cup (0; 4)\), oberhalb für \(x \in (4; \infty)\). Für \(k < 0\): Oberhalb für \(x \in (-\infty; 0) \cup (0; 4)\), unterhalb für \(x \in (4; \infty)\).

- Was muss für den Funktionsterm gelten, damit der Wert an einer Stelle \(x\) nicht von \(k\) abhängt? - Welche Ableitungen benötigst du, um die Art eines stationären Punktes zu bestimmen? - Was musst du im Sonderfall \(k=0\) zusätzlich prüfen, wenn das gewöhnliche Kriterium mit der zweiten Ableitung keine Entscheidung liefert?

1. Für zwei verschiedene Parameter \(k\ne m\) führt \(g_k(x)=g_m(x)\) wegen \(e^{-x}>0\) auf \((k-m)x^2=0\). Daher ist \(x=0\) die einzige gemeinsame Stelle; mit \(g_k(0)=0\) ist der gemeinsame Punkt \(S(0\mid0)\). 2. Es ist \(g_k'(x)=(-2x^3+(6-k)x^2+2kx)e^{-x}\), also \(g_k'(0)=0\). Außerdem gilt \(g_k''(0)=2k\). Für \(k>0\) liegt daher ein lokales Minimum vor, für \(k<0\) ein lokales Maximum. 3. Für \(k=0\) ist \(g_0'(x)=2x^2(3-x)e^{-x}\). In einer Umgebung von \(x=0\) wechselt \(g_0'\) das Vorzeichen nicht, also liegt dort kein Extremum vor. Weiter gilt \(g_0''(x)=2x(x^2-6x+6)e^{-x}\). Der Faktor \(x^2-6x+6\) ist in einer hinreichend kleinen Umgebung von \(0\) positiv, sodass \(g_0''\) bei \(x=0\) von negativ zu positiv wechselt. Damit ist \(S(0\mid0)\) für \(k=0\) ein Sattelpunkt.

1. Gemeinsamer Schnittpunkt: \(S(0\mid0)\) 2. Für \(k>0\): lokales Minimum; für \(k<0\): lokales Maximum; für \(k=0\): Sattelpunkt.

- Überlege dir zuerst, an welcher Stelle das Tragseil seinen tiefsten Punkt hat. Welche mathematische Eigenschaft hat dieser Punkt? - Wie kannst du die Bedingung „nicht unter die Fahrbahn sinken“ mathematisch als Ungleichung für den Funktionswert am Tiefpunkt formulieren? - Welche Funktion beschreibt die Steigung des Seils an jeder Stelle des Definitionsbereichs? - Wie hängt der Neigungswinkel einer Kurve an einer bestimmten Stelle mit der Steigung der Tangente an dieser Stelle zusammen?

1. Der tiefste Punkt des Tragseils liegt aufgrund der Achsensymmetrie der Parabel in der Mitte zwischen den Pfeilern, also bei \(x = 50\). Alternativ folgt dies aus \(f'_a(x) = 2ax - 100a = 0\). Die Höhe an dieser Stelle beträgt: \(f_a(50) = a \cdot 50 \cdot (50 - 100) + 30 = -2500a + 30\). Damit das Seil die Fahrbahn nicht unterschreitet, muss diese minimale Höhe mindestens \(0\) sein: \(-2500a + 30 \ge 0 \implies a \le 0{,}012\). Da \(a > 0\) vorgegeben ist, gilt \(a\in]0;0{,}012]\). 2. Für eine minimale Höhe von \(5\,\text{m}\) gilt: \(f_a(50) = 5 \implies -2500a + 30 = 5 \implies a = 0{,}01\). 3. Für \(a = 0{,}01\) ist \(f'_{0{,}01}(x) = 0{,}02x - 1\). An der linken Aufhängung gilt: \(m = f'_{0{,}01}(0) = -1\). Der Betrag des Neigungswinkels gegenüber der Waagerechten ist daher: \(\alpha = \arctan(|m|) = 45^\circ\).

a) \(a\in]0;0{,}012]\) b) \(a = 0{,}01\) c) \(\alpha = 45^\circ\)

- Wie hängen die Nullstellen einer Funktion \(f_a(x) = x^3 - ax\) vom Parameter \(a\) ab? Setze den Funktionsterm gleich Null und löse nach \(x\) auf. - Welche Symmetrie weisen Graphen auf, wenn im Funktionsterm ausschließlich ungerade Exponenten vorkommen? Wie lässt sich diese Eigenschaft formal überprüfen? - Welche Ableitungsregeln benötigst du, um die Extremstellen zu bestimmen? Behandle den Parameter \(a\) beim Ableiten wie eine konstante Zahl. - Überlege dir für Teilaufgabe d), unter welcher Bedingung die Gleichung \(x^2 = a\) zwei voneinander verschiedene, von Null verschiedene reelle Lösungen liefert.

1. Es gilt \(f_a(x)=x(x^2-a)\). Für \(a>0\) liegen die Nullstellen bei \(x=0\) und \(x=\pm\sqrt a\); für \(a=0\) nur bei \(x=0\). 2. Kurve \(p\) hat nur die Nullstelle \(x=0\), also \(a=0\). Kurve \(q\) hat die Nullstellen \(-1,0,1\), also \(a=1\). Kurve \(r\) hat die Nullstellen \(-2,0,2\), also \(a=4\). 3. Für alle \(a\) gilt \(f_a(-x)=(-x)^3-a(-x)=-x^3+ax=-f_a(x)\). Daher sind alle Graphen punktsymmetrisch zum Ursprung. 4. Die Ableitungen lauten \(f_a'(x)=3x^2-a\) und \(f_a''(x)=6x\). Für \(a>0\) sind die stationären Stellen \(x=\pm\sqrt{\frac a3}\). Bei der negativen Stelle ist \(f_a''<0\), bei der positiven \(f_a''>0\). Damit gilt \(H\left(-\sqrt{\frac a3}\;\middle|\;\frac{2a}{3}\sqrt{\frac a3}\right)\) und \(T\left(\sqrt{\frac a3}\;\middle|\;-\frac{2a}{3}\sqrt{\frac a3}\right)\). 5. Genau drei verschiedene reelle Nullstellen gibt es genau dann, wenn \(a>0\).

a) Kurve \(p\): \(a=0\); Kurve \(q\): \(a=1\); Kurve \(r\): \(a=4\) b) Punktsymmetrie zum Ursprung, da \(f_a(-x)=-f_a(x)\) c) \(H\left(-\sqrt{\frac a3}\;\middle|\;\frac{2a}{3}\sqrt{\frac a3}\right)\), \(T\left(\sqrt{\frac a3}\;\middle|\;-\frac{2a}{3}\sqrt{\frac a3}\right)\) d) Genau für \(a>0\)

- Wie verhält sich eine Exponentialfunktion mit negativem Exponenten für sehr große Werte von \(t\)? - Welche Bedingung muss für die erste Ableitung an einer Extremstelle erfüllt sein? - Welche Rolle spielt der Parameter \(k\) beim Lösen der Gleichung für die Extremstelle? - Wie lässt sich die Stelle des steilsten Abfalls über die Ableitungsfunktion charakterisieren?

1. Wegen \(t e^{-0{,}1t}\to0\) gilt \(f_k(t)\to100\). Langfristig nähert sich die Rate also \(100\) Neuanmeldungen pro Tag. 2. Die erste Ableitung lautet \(f_k'(t)=k e^{-0{,}1t}(1-0{,}1t)\). Da \(k>0\) und der Exponentialfaktor positiv ist, folgt aus \(f_k'(t)=0\) unabhängig von \(k\) die Stelle \(t=10\). 3. Mit \(f_k''(t)=k e^{-0{,}1t}(0{,}01t-0{,}2)\) gilt \(f_k''(10)<0\). Daher liegt bei \(t=10\) das Maximum. 4. Für \(k=150\) ist \(f_{150}(10)=1500e^{-1}+100\approx651{,}82\). Gerundet sind das \(652\) Neuanmeldungen pro Tag. 5. Die stärkste Abnahme liegt dort, wo \(f_k'\) minimal ist. Aus \(f_k''(t)=0\) folgt \(t=20\). An dieser Stelle wechselt \(f_k''\) von negativ zu positiv, also besitzt \(f_k'\) dort ein Minimum. Damit ist die Abnahme bei \(t=20\) am stärksten.

a) \(100\) Neuanmeldungen pro Tag b) \(t=10\) Tage c) \(652\) Neuanmeldungen pro Tag d) \(t=20\) Tage

- Wende Produkt- und Kettenregel auf die Scharfunktion an. - Welche Faktoren der ersten Ableitung können null werden? - Für einen Wendepunkt reicht die Nullstelle der zweiten Ableitung allein nicht aus: Prüfe auch den Vorzeichenwechsel.

1. Mit Produkt- und Kettenregel erhält man \(f_a'(x)=(a-x)e^{-\frac{x}{a}}\) und \(f_a''(x)=\left(\frac{x}{a}-2\right)e^{-\frac{x}{a}}\). 2. Aus \(f_a'(x)=0\) folgt \(x=a\). Es gilt \(f_a''(a)=-e^{-1}<0\), also liegt ein Hochpunkt vor. Sein Funktionswert ist \(f_a(a)=\frac{a^2}{e}\). Damit \(H_a\left(a\;\middle|\;\frac{a^2}{e}\right)\). 3. Aus \(f_a''(x)=0\) folgt \(x=2a\). Da der lineare Faktor \(\frac{x}{a}-2\) an dieser Stelle sein Vorzeichen wechselt und der Exponentialfaktor positiv bleibt, liegt genau ein Wendepunkt vor. Sein Funktionswert ist \(f_a(2a)=\frac{2a^2}{e^2}\). Somit \(W_a\left(2a\;\middle|\;\frac{2a^2}{e^2}\right)\).

a) \(H_a\left(a\;\middle|\;\frac{a^2}{e}\right)\) b) \(W_a\left(2a\;\middle|\;\frac{2a^2}{e^2}\right)\)

- Welche Gleichung folgt aus dem Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse? - Welche notwendige Bedingung gilt an der angegebenen Hochpunktstelle? - Prüfe nach dem Bestimmen der Parameter, ob die Ableitung an \(x=1\) tatsächlich von positiv zu negativ wechselt.

1. Aus \(f(0)=2\) folgt unmittelbar \(b=2\). 2. Mit Produkt- und Kettenregel gilt \(f'(x)=(a-0{,}5ax-0{,}5b)e^{-0{,}5x}\). Mit \(b=2\) wird daraus \(f'(x)=(a-0{,}5ax-1)e^{-0{,}5x}\). 3. Die notwendige Bedingung für den Hochpunkt bei \(x=1\) liefert \((0{,}5a-1)e^{-0{,}5}=0\). Da der Exponentialfaktor positiv ist, folgt \(a=2\). 4. Für \(a=b=2\) ist \(f'(x)=(1-x)e^{-0{,}5x}\). Dieser Ausdruck wechselt bei \(x=1\) von positiv zu negativ; die vorgegebene Extremstelle ist damit tatsächlich ein lokaler Hochpunkt.

\(a=2\) und \(b=2\)

- Welche besonderen Punkte (wie Nullstellen oder Extrempunkte) kannst du im Graphen genau erkennen? - Setze die Koordinaten eines bekannten Punktes in die Funktionsgleichung ein, um nach der Unbekannten aufzulösen. - Überlege, welche Bedingung die erste Ableitung erfüllen muss, damit Extremstellen vorliegen. - Die Anzahl der Lösungen einer quadratischen Gleichung hängt von ihrer Diskriminante ab.

1. Ablesen markanter Punkte aus dem Graphen: Der Graph verläuft durch den Ursprung \((0 \mid 0)\) und hat bei \(x = 3\) eine Nullstelle, die gleichzeitig ein lokaler Tiefpunkt ist. 2. Bedingung für eine Nullstelle bei \(x = 3\) nutzen: \(f_k(3) = \frac{1}{3} \cdot 3^3 - k \cdot 3^2 + 3 \cdot 3 = 9 - 9k + 9 = 18 - 9k = 0\). Daraus folgt \(9k = 18\), also \(k = 2\). 3. Überprüfung der Extremstelleneigenschaft: Die erste Ableitung ist \(f_k'(x) = x^2 - 2kx + 3\). Für \(k = 2\) gilt \(f_2'(3) = 3^2 - 2 \cdot 2 \cdot 3 + 3 = 9 - 12 + 3 = 0\). Die zweite Ableitung \(f_2''(x) = 2x - 4\) ergibt \(f_2''(3) = 2 > 0\), was den Tiefpunkt bestätigt. 4. Bedingung für zwei lokale Extrempunkte: Die Gleichung \(f_k'(x) = x^2 - 2kx + 3 = 0\) muss zwei verschiedene reelle Lösungen haben. 5. Anwendung der Diskriminante: \(D = (-2k)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 3 = 4k^2 - 12\). Für zwei Lösungen muss \(D > 0\) gelten, also \(4k^2 > 12 \Rightarrow k^2 > 3\). 6. Ergebnis für \(k\): Die Funktion besitzt genau zwei lokale Extrempunkte für \(k > \sqrt{3}\) oder \(k < -\sqrt{3}\).

a) Der Parameter ist \(k = 2\). Dies lässt sich durch Einsetzen der Nullstelle \(x = 3\) in \(f_k(x) = 0\) oder durch die Bedingung für den Tiefpunkt \(f_k'(3) = 0\) ermitteln. b) Die Funktion \(f_k\) besitzt genau dann zwei lokale Extrempunkte, wenn \(k > \sqrt{3}\) oder \(k < -\sqrt{3}\) gilt.

- Nutze den Schnittpunkt mit der x-Achse, um den Parameter zu bestimmen. - Erinnere dich an die Produktregel beim Ableiten von Funktionen der Form \(u(x) \cdot v(x)\). - Ein Extrempunkt liegt dort, wo die Steigung null ist. - Um die y-Koordinate eines Punktes zu finden, musst du seinen x-Wert in die ursprüngliche Funktionsgleichung einsetzen.

1. Bestimmung von \(a\) aus dem Graphen: Der Graph schneidet die x-Achse bei \(x = 2\). Die Bedingung \(g_a(2) = 0\) führt zu \((2 - a) \cdot e^2 = 0\). Da \(e^2 \neq 0\), folgt \(2 - a = 0\) und somit \(a = 2\). 2. Ableitung der Funktionenschar bestimmen: Mit der Produktregel ergibt sich \(g_a'(x) = 1 \cdot e^x + (x - a) \cdot e^x = (x - a + 1) \cdot e^x\). 3. Notwendige Bedingung für Extremstellen: \(g_a'(x) = 0 \Rightarrow x - a + 1 = 0\), da \(e^x\) nie null wird. Dies liefert die einzige Extremstelle \(x_E = a - 1\). 4. Art des Extrempunktes prüfen: Die zweite Ableitung ist \(g_a''(x) = 1 \cdot e^x + (x - a + 1) \cdot e^x = (x - a + 2) \cdot e^x\). Einsetzen von \(x_E\): \(g_a''(a - 1) = (a - 1 - a + 2) \cdot e^{a-1} = 1 \cdot e^{a-1} > 0\). Es handelt sich somit immer um einen Tiefpunkt. 5. y-Koordinate berechnen: \(g_a(a - 1) = (a - 1 - a) \cdot e^{a-1} = -1 \cdot e^{a-1} = -e^{a-1}\). 6. Ergebnis: Der Tiefpunkt hat die Koordinaten \(T(a - 1 \mid -e^{a-1})\).

a) Der Wert des Parameters ist \(a = 2\). b) Die Ableitung \(g_a'(x) = (x - a + 1) \cdot e^x\) hat nur die Nullstelle \(x = a - 1\). Wegen \(g_a''(a - 1) = e^{a-1} > 0\) liegt dort ein Tiefpunkt vor. Die Koordinaten des Tiefpunktes lauten \(T(a - 1 \mid -e^{a-1})\).

- Welche Gleichung beschreibt, dass der Strahl nach \(4\,\text{m}\) wieder Bodenhöhe erreicht? - Wie lässt sich der höchste Punkt einer nach unten geöffneten Parabel bestimmen? - Welche geometrische Bedeutung hat \(h_c'(0)\), und wie wird eine Steigung in einen Winkel umgerechnet?

1. Für das Auftreffen in der Schale gilt \(h_c(4)=0\). Damit \(-0{,}5\cdot4^2+4c=0\), also \(-8+4c=0\) und \(c=2\). 2. Für \(c=2{,}5\) lautet die Funktion \(h_{2{,}5}(x)=-0{,}5x^2+2{,}5x\). Die Scheitelstelle ist \(x_S=-\frac{2{,}5}{2\cdot(-0{,}5)}=2{,}5\). Es gilt \(h_{2{,}5}(2{,}5)=3{,}125\), also beträgt die maximale Höhe \(3{,}125\,\text{m}\). 3. Es gilt \(h_c'(x)=-x+c\), also \(h_c'(0)=c\). Für \(c=1{,}5\) ist die Austrittssteigung \(1{,}5\). Daher \(\alpha=\arctan(1{,}5)\approx56{,}31^\circ\).

a) \(c=2\) b) \(3{,}125\,\text{m}\) c) \(\alpha\approx56{,}31^\circ\)

- Welcher Teil des Funktionsterms ist entscheidend für den Verlauf des Graphen „ganz weit außen“, also für sehr große Beträge von \(x\)? - Betrachte das Vorzeichen des Terms mit der höchsten Potenz. - Welche mathematische Bedingung muss die erste Ableitung an einer Stelle erfüllen, an der ein Maximum liegt? - Prüfe anschließend mit der zweiten Ableitung, ob tatsächlich ein Maximum vorliegt.

1. Analyse des Grenzverhaltens: Der Term mit der höchsten Potenz der ganzrationalen Funktion \(f_k(x)\) ist \(-\frac{1}{4}x^4\). Da der Leitkoeffizient negativ ist und der Exponent gerade, gilt \(\lim_{x \to \pm \infty} f_k(x) = -\infty\). Der Graph muss also für betragsmäßig große \(x\)-Werte nach unten verlaufen. Dies trifft nur auf Abb. 1 zu (M-förmiger Verlauf). Der Graph in Abb. 2 verläuft dagegen für \(x \to \pm\infty\) gegen \(+\infty\). 2. Ableitung der Funktionenschar: \(f'_k(x) = 2kx - x^3\). 3. Bedingung für eine Extremstelle an der Stelle \(x = \sqrt{6}\) ansetzen: \(f'_k(\sqrt{6}) = 0\). 4. Berechnung von \(k\): \(2k \cdot \sqrt{6} - (\sqrt{6})^3 = 2k\sqrt{6} - 6\sqrt{6} = \sqrt{6}(2k - 6) = 0\). Daraus folgt \(2k = 6\), also \(k = 3\). 5. Überprüfung der Art des Extremums: \(f''_k(x) = 2k - 3x^2\). Für \(k=3\) und \(x=\sqrt{6}\) ergibt sich \(f''_3(\sqrt{6}) = 2 \cdot 3 - 3 \cdot (\sqrt{6})^2 = 6 - 18 = -12 < 0\). Da die zweite Ableitung negativ ist, liegt bei \(x = \sqrt{6}\) tatsächlich ein lokales Maximum vor.

a) Abb. 1 stellt den Graphen dar, da \(\lim_{x \to \infty} f_k(x) = -\infty\). b) \(k = 3\)

- Um zu zeigen, dass ein Punkt auf allen Graphen liegt, setze seine Koordinaten ein und prüfe, ob der Parameter verschwindet. - Nutze für die Zuordnung Öffnungsrichtung, Symmetrie, Scheitelpunkte oder Nullstellen der abgebildeten Parabeln. - Welche Ableitung beschreibt die Tangentensteigung bei \(x=0\)?

1. Für \(B(0\mid2)\) gilt \(g_k(0)=2\). Für \(A(-2\mid0)\) gilt \(g_k(-2)=4k-4k-2+2=0\). Beide Werte sind unabhängig von \(k\); daher sind \(A\) und \(B\) Fixpunkte der Schar. 2. Für \(k=-0{,}5\) ist \(g_{-0{,}5}(x)=-0{,}5x^2+2\). Die nach unten geöffnete, zur \(y\)-Achse symmetrische Parabel ist Kurve \(q\). 3. Für \(k=0{,}5\) ist \(g_{0{,}5}(x)=0{,}5(x+2)^2\). Die nach oben geöffnete Parabel mit Scheitelpunkt \((-2\mid0)\) ist Kurve \(r\). 4. Für \(k=-1\) ist \(g_{-1}(x)=-x^2-x+2\) mit den Nullstellen \(-2\) und \(1\); das ist Kurve \(p\). Für \(k=1\) ist \(g_1(x)=x^2+3x+2\) mit den Nullstellen \(-2\) und \(-1\); das ist Kurve \(s\). 5. Es gilt \(g_k'(x)=2kx+2k+1\), also \(g_k'(0)=2k+1\). Aus \(2k+1=5\) folgt \(k=2\).

a) \(g_k(0)=2\) und \(g_k(-2)=0\) für alle \(k\). b) \(p\): \(k=-1\); \(q\): \(k=-0{,}5\); \(r\): \(k=0{,}5\); \(s\): \(k=1\) c) \(k=2\)

- Wähle einen Graphen aus, der durch den Ursprung geht, um den Basisterm ohne Verschiebung zu finden. - Nutze markante Punkte wie Hoch-, Tief- oder Nullstellen, um die Koeffizienten des Funktionsterms zu berechnen. - Überlege, wie sich der Funktionsterm ändert, wenn der Graph nur nach oben oder unten verschoben wird. - Welcher Wert im Funktionsterm bestimmt den Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse?

1. Bestimmung des Basisgraphen \(g(x)\) am Beispiel der Kurve durch den Ursprung (\(c=0\)): Die Nullstellen liegen bei \(x=0\) sowie \(x \approx \pm 1{,}73\) (was \(\pm \sqrt{3}\) entspricht). Ein lokales Extremum (Tiefpunkt) befindet sich bei \((1 \mid -1)\). 2. Einsetzen des Punktes \((1 \mid -1)\) in \(g(x) = ax^3 + bx\): \(a \cdot 1^3 + b \cdot 1 = -1 \Rightarrow a + b = -1\). 3. Ableitung bilden für die Extremstelle: \(g'(x) = 3ax^2 + b\). Mit \(g'(1) = 0\) folgt \(3a + b = 0\), also \(b = -3a\). 4. Einsetzen von \(b = -3a\) in \(a + b = -1\): \(a - 3a = -1 \Rightarrow -2a = -1 \Rightarrow a = 0{,}5\). Damit ist \(b = -1{,}5\). Der Basisgraph ist \(g(x) = 0{,}5x^3 - 1{,}5x\). 5. Identifikation des Parameters \(c\): Die Graphen sind entlang der \(y\)-Achse verschoben. Der \(y\)-Achsenabschnitt entspricht direkt dem Parameter \(c\), da \(f_c(0) = c\). Sichtbar sind Graphen mit \(c \in \{-1; 0; 1; 2\}\). 6. Aufstellen der Schar-Gleichung: \(f_c(x) = 0{,}5x^3 - 1{,}5x + c\).

Die Funktionsgleichung der Schar lautet \(f_c(x) = 0{,}5x^3 - 1{,}5x + c\).

- Wo befinden sich die senkrechten Geraden, denen sich die Kurven annähern, ohne sie zu berühren? - Wie verschiebt man eine Hyperbel der Form \(\frac{1}{x}\) nach links oder rechts? - Wähle einen gut ablesbaren Punkt auf einer der Kurven, um die „Stärke“ der Krümmung (den Zähler im Bruch) zu bestimmen. - Haben alle Kurven denselben Zähler?

1. Grundform erkennen: Die Graphen sind Hyperbeln. Eine einfache Form für solche Funktionen ist \(f_k(x) = \frac{c}{x - k}\). 2. Senkrechte Asymptoten bestimmen: Die Graphen haben ihre Polstellen (Definitionslücken) bei \(x = -3\), \(x = 0\) und \(x = 3\). Dies entspricht dem Parameter \(k\), da der Nenner an der Stelle \(x=k\) null wird. Also ist \(k \in \{-3; 0; 3\}\). 3. Bestimmung des Zählers \(c\): Betrachte den Graphen mit der Asymptote bei \(x=0\). Ein Punkt auf dieser Kurve ist \((1 \mid 2)\). Einsetzen in \(y = \frac{c}{x}\) ergibt \(2 = \frac{c}{1}\), also \(c = 2\). 4. Überprüfung: Für \(k=3\) müsste die Kurve durch \((4 \mid 2)\) gehen. Einsetzen in \(f_3(x) = \frac{2}{x-3}\): \(f_3(4) = \frac{2}{4-3} = 2\). Dies passt zum Graphen. 5. Aufstellen der Schar-Gleichung: \(f_k(x) = \frac{2}{x - k}\).

Der Funktionsterm der Schar lautet \(f_k(x) = \frac{2}{x - k}\).

- Bestimme zuerst die Koordinaten der tiefsten Punkte (Scheitelpunkte) aller gezeichneten Parabeln. - Fällt dir ein Muster zwischen der \(x\)- und der \(y\)-Koordinate dieser Punkte auf? - Nutze die Scheitelpunktform einer quadratischen Funktion: \(y = a(x - x_S)^2 + y_S\). - Prüfe an einer einfachen Parabel (z. B. der durch den Ursprung), ob sie gestreckt oder gestaucht ist.

1. Scheitelpunkte identifizieren: Die Scheitelpunkte der Parabeln liegen bei \((-2 \mid 2)\), \((0 \mid 0)\), \((2 \mid -2)\) und \((4 \mid -4)\). 2. Zusammenhang der Koordinaten: Die \(y\)-Koordinate des Scheitelpunkts ist jeweils der negative Wert der \(x\)-Koordinate. Bezeichnet man die \(x\)-Koordinate mit \(t\), so ist der Scheitelpunkt \(S(t \mid -t)\). 3. Scheitelpunktform aufstellen: Eine Parabel mit Scheitelpunkt \(S(x_S \mid y_S)\) hat die Form \(f(x) = a(x - x_S)^2 + y_S\). Hier also \(f_t(x) = a(x - t)^2 - t\). 4. Öffnungsfaktor \(a\) bestimmen: Betrachte die Parabel mit Scheitelpunkt \((0 \mid 0)\). Sie geht durch den Punkt \((1 \mid 1)\). Einsetzen ergibt \(1 = a(1 - 0)^2 + 0 \Rightarrow a = 1\). 5. Funktionsgleichung formulieren: Mit \(a=1\) ergibt sich die Schar zu \(f_t(x) = (x - t)^2 - t\).

Die Funktionsgleichung der Schar lautet \(f_t(x) = (x - t)^2 - t\).

- Nutze für die Ableitung die Regel \(\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}\). - Setze den Zähler der Ableitung gleich Null, um mögliche Extremstellen zu finden. - Vergleiche die Lage der Maxima in der Zeichnung mit deinen berechneten Koordinaten für \(H_k\). - Betrachte für das Globalverhalten den Grad des Zählerpolynoms im Vergleich zum Grad des Nennerpolynoms.

1. Mit \(u(x)=4x\) und \(v(x)=x^2+k\) liefert die Quotientenregel \(f_k'(x)=\frac{4(x^2+k)-4x\cdot2x}{(x^2+k)^2}=\frac{4k-4x^2}{(x^2+k)^2}\). 2. Wegen des stets positiven Nenners hat \(f_k'\) für \(0\le x<\sqrt{k}\) positives und für \(x>\sqrt{k}\) negatives Vorzeichen. Daher liegt bei \(x_H=\sqrt{k}\) ein Hochpunkt. 3. Es gilt \(f_k(\sqrt{k})=\frac{4\sqrt{k}}{2k}=\frac{2}{\sqrt{k}}\). Somit ist \(H_k\left(\sqrt{k}\mid\frac{2}{\sqrt{k}}\right)\). 4. Mit wachsendem \(k\) wandert der Hochpunkt nach rechts und nach unten. Deshalb gehört \(p\) zu \(k=1\), \(q\) zu \(k=4\) und \(r\) zu \(k=9\). 5. Für \(x\to\infty\) wächst der Nenner quadratisch und der Zähler nur linear. Daher gilt \(\lim_{x\to\infty}f_k(x)=0\), unabhängig von \(k\).

a) \(f_k'(x)=\frac{4k-4x^2}{(x^2+k)^2}\) b) \(H_k\left(\sqrt{k}\mid\frac{2}{\sqrt{k}}\right)\) c) \(p\): \(k=1\); \(q\): \(k=4\); \(r\): \(k=9\) d) \(\lim_{x\to\infty}f_k(x)=0\); der Grenzwert ist unabhängig von \(k\).

- Überlege dir, welchen Wert der natürliche Logarithmus an der Stelle \(x = 1\) annimmt. - Setze die Funktionsgleichung gleich Null und löse nach \(x\) auf, um die Position der Nullstelle in Abhängigkeit von \(c\) zu finden. - Erinnere dich an die Ableitungsregel für \(\ln(x)\). Was passiert mit einer Konstanten beim Ableiten? - Was bedeutet es geometrisch für die Graphen, wenn eine Konstante zum Funktionsterm addiert wird?

1. Wegen \(\ln(1)=0\) gilt \(f_c(1)=c\). Kurve \(p\) hat bei \(x=1\) den Wert \(2\), also gilt \(c=2\). Kurve \(q\) hat dort den Wert \(-1\), also gilt \(c=-1\). 2. Aus \(f_c(x)=0\) folgt \(\ln(x)=-c\) und damit \(x=e^{-c}\). Wird \(c\) größer, wird \(-c\) kleiner; wegen der strengen Monotonie der Exponentialfunktion wird die Nullstelle kleiner und wandert nach links. 3. Es gilt \(f_c'(x)=\frac{1}{x}\). Der Parameter \(c\) fällt beim Ableiten weg, daher besitzen alle Schargraphen an jeder gemeinsamen \(x\)-Stelle denselben Anstieg; insbesondere ist \(f_c'(2)=0{,}5\).

a) \(p\): \(c=2\); \(q\): \(c=-1\) b) Die Nullstelle liegt bei \(x=e^{-c}\) und wird mit wachsendem \(c\) kleiner. c) \(f_c'(x)=\frac{1}{x}\), also \(f_c'(2)=0{,}5\) für alle \(c\).

- Welchen Wert hat \(e^{-x}\) für \(x = 0\)? Nutze dies, um \(k\) am Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse abzulesen. - Überlege, wie sich die Funktionswerte an jeder Stelle \(x\) ändern, wenn du den Vorfaktor \(k\) änderst. - Bestimme zuerst die allgemeine Tangentengleichung \(y = mx + n\) an der Stelle \(x = 0\). - Setze die Tangentengleichung gleich null, um die Nullstelle der Tangente zu berechnen. Was stellst du fest?

1. Es gilt \(g_k(0)=k\). Bei Kurve \(p\) ist der \(y\)-Achsenabschnitt \(2\), also \(k=2\); bei Kurve \(q\) ist er \(4\), also \(k=4\). 2. Wird \(k\) verdoppelt, werden alle Funktionswerte verdoppelt. Der Graph wird in \(y\)-Richtung mit dem Faktor \(2\) gestreckt. 3. Die Ableitung lautet \(g_k'(x)=-ke^{-x}\). Bei \(x=0\) sind Steigung \(-k\) und Berührpunkt \((0\mid k)\), also lautet die Tangente \(t(x)=-kx+k\). 4. Aus \(t(x)=0\) folgt \(-kx+k=0\). Wegen \(k>0\) darf durch \(k\) dividiert werden; damit ist \(x=1\), unabhängig von \(k\).

a) \(p\): \(k=2\); \(q\): \(k=4\) b) Streckung in \(y\)-Richtung mit dem Faktor \(2\) c) \(t(x)=-kx+k\) hat für jedes \(k>0\) die Nullstelle \(x=1\).

- Welche Bedingung erfüllt die Ableitung an einer Stelle mit waagerechter Tangente? - Nutze beim Ableiten sowohl Produkt- als auch Kettenregel. - Welche Faktoren der Ableitung können überhaupt den Wert null annehmen?

1. Mit Produkt- und Kettenregel gilt \(f_k'(x)=e^{-0{,}5x}+(x-k)(-0{,}5)e^{-0{,}5x}=e^{-0{,}5x}(1-0{,}5x+0{,}5k)\). 2. Eine waagerechte Tangente bei \(x=2\) erfordert \(f_k'(2)=0\). Damit ist \(e^{-1}\cdot0{,}5k=0\). 3. Wegen \(e^{-1}>0\) folgt \(k=0\).

\(k=0\)

- Welche notwendige Bedingung gilt an einer lokalen Extremstelle? - Nutze beim Ableiten die Produktregel und behandle \(a\) als Konstante. - Prüfe nach dem Bestimmen von \(a\), ob die Ableitung an \(x=2\) ihr Vorzeichen wechselt.

1. Mit der Produktregel gilt \(g_a'(x)=2xe^{ax}+x^2ae^{ax}=xe^{ax}(2+ax)\). 2. Aus \(g_a'(2)=0\) folgt wegen \(2e^{2a}>0\) die Gleichung \(2+2a=0\), also \(a=-1\). 3. Für \(a=-1\) lautet die Ableitung \(g_{-1}'(x)=xe^{-x}(2-x)\). Sie wechselt bei \(x=2\) von positiv zu negativ. Daher liegt dort tatsächlich ein lokales Maximum vor.

Für \(a=-1\) besitzt \(g_a\) bei \(x=2\) ein lokales Maximum.

- Überprüfe markante Punkte wie Nullstellen oder Extrema, um den gegebenen Term einem Graphen zuzuordnen. - Wie hängen die Graphen geometrisch zusammen? Betrachte, wie man einen Graphen durch Verschiebung in einen anderen überführen kann. - Erinnere dich daran, wie sich eine Verschiebung in \(x\)-Richtung im Funktionsterm auswirkt. - Suche nach einem Parameter in deiner Schar, der genau diese Verschiebung beschreibt.

1. Für \(g(x)=\frac{4x}{x^2+1}\) liegt die einzige Nullstelle bei \(x=0\). Außerdem besitzt der Graph bei \(x=1\) den Hochpunkt \((1\mid2)\). Diese Merkmale hat Kurve \(q\). 2. Kurve \(p\) ist gegenüber \(q\) um \(3\) Einheiten nach links verschoben. Daher lautet ihr Term \(\frac{4(x+3)}{(x+3)^2+1}\). 3. Kurve \(r\) ist gegenüber \(q\) um \(2\) Einheiten nach rechts verschoben. Daher lautet ihr Term \(\frac{4(x-2)}{(x-2)^2+1}\). 4. Ein möglicher Scharterm, der horizontale Verschiebungen um \(t\) beschreibt, ist \(f_t(x)=\frac{4(x-t)}{(x-t)^2+1}\). Für \(t=-3,0,2\) entstehen die drei dargestellten Kurven.

a) \(q\) b) \(p\): \(\frac{4(x+3)}{(x+3)^2+1}\); \(r\): \(\frac{4(x-2)}{(x-2)^2+1}\) c) Zum Beispiel \(f_t(x)=\frac{4(x-t)}{(x-t)^2+1}\)

- Alle Graphen haben dieselbe Nullstelle. Welches Merkmal unterscheidet sie stattdessen? - Berechne die Lage und den Wert des Extrempunktes für den gegebenen Funktionsterm \(h(x)\). - Vergleiche die \(y\)-Werte der Hochpunkte an der Stelle \(x=2\) im Koordinatensystem. - Überlege, wie ein Parameter \(k\) den Term beeinflussen muss, damit sich nur die „Höhe“ der Kurven ändert.

1. Für \(h(x)=2xe^{-0{,}5x}\) gilt \(h'(x)=(2-x)e^{-0{,}5x}\). Damit liegt die Extremstelle bei \(x=2\). Wegen des Vorzeichenwechsels von \(h'\) von positiv zu negativ ist dies ein Hochpunkt; \(h(2)=\frac{4}{e}\approx1{,}47\). Diese Merkmale besitzt Kurve \(q\). 2. Alle drei Kurven haben ihre Nullstelle bei \(x=0\) und ihre Hochpunktstelle bei \(x=2\); sie unterscheiden sich durch einen konstanten Faktor in \(y\)-Richtung. 3. Für Kurve \(p\) passt \(x e^{-0{,}5x}\), für Kurve \(r\) passt \(3x e^{-0{,}5x}\). 4. Ein möglicher Scharterm ist \(f_k(x)=kxe^{-0{,}5x}\). Die dargestellten Kurven erhält man für \(k=1,2,3\).

a) \(q\) b) \(p\): \(xe^{-0{,}5x}\); \(r\): \(3xe^{-0{,}5x}\) c) Zum Beispiel \(f_k(x)=kxe^{-0{,}5x}\)

- Welche Ableitungsregeln benötigst du für das Produkt aus \(t\) und dem Exponentialterm? - Welche Faktoren der ersten Ableitung bestimmen die Lage des Maximums, und welche davon hängen von \(k\) ab? - Für das langfristige Verhalten ist der Vergleich zwischen linearem Wachstum und exponentiellem Zerfall entscheidend. - Die stärkste Abnahme liegt dort, wo die erste Ableitung ihren kleinsten Wert besitzt.

1. Mit Produkt- und Kettenregel folgt \(c_k'(t)=k(1-0{,}25t)e^{-0{,}25t}\). 2. Wegen \(k>0\) und \(e^{-0{,}25t}>0\) gilt \(c_k'(t)=0\) genau für \(1-0{,}25t=0\), also \(t=4\). Die Ableitung wechselt dort von positiv zu negativ; damit liegt unabhängig von \(k\) das Maximum bei \(t=4\,\text{h}\). 3. Es gilt \(c_k(4)=4ke^{-1}\). Aus \(4ke^{-1}=4\) folgt \(k=e\,\text{mg}/(\text{L}\cdot\text{h})\approx2{,}718\,\text{mg}/(\text{L}\cdot\text{h})\). 4. Da \(te^{-0{,}25t}\to0\) für \(t\to\infty\), gilt \(\lim_{t\to\infty}c_k(t)=0\,\text{mg/L}\). 5. Die stärkste Abnahme liegt beim Minimum von \(c_k'\). Es ist \(c_k''(t)=k(0{,}0625t-0{,}5)e^{-0{,}25t}\). Dieser Ausdruck wechselt bei \(t=8\) von negativ zu positiv, also besitzt \(c_k'\) dort ein Minimum. Damit nimmt die Konzentration nach \(8\,\text{h}\) am stärksten ab.

a) \(t=4\,\text{h}\) b) \(k=e\,\text{mg}/(\text{L}\cdot\text{h})\approx2{,}718\,\text{mg}/(\text{L}\cdot\text{h})\) c) \(c_k(t)\to0\,\text{mg/L}\) für \(t\to\infty\) d) \(t=8\,\text{h}\)

- Überlege dir, welche Bedingung erfüllt sein muss, damit ein Punkt auf einem Funktionsgraphen liegt. - Wie bestimmt man üblicherweise Extremstellen einer Funktion? Erinnere dich an die notwendige Bedingung. - Wenn ein Ergebnis unabhängig von einem Parameter sein soll, darf dieser im finalen Ausdruck für die gesuchte Größe nicht mehr vorkommen. - Die Steigung einer Tangente an einer bestimmten Stelle entspricht dem Wert der ersten Ableitung an dieser Stelle.

1. Es gilt \(f_a(e^2)=\frac{2a}{e^2}\). Aus \(\frac{2a}{e^2}=2\) folgt \(a=e^2\). 2. Mit der Quotientenregel ergibt sich \(f_a'(x)=a\frac{1-\ln(x)}{x^2}\). Wegen \(a\neq0\) folgt aus \(f_a'(x)=0\) die Gleichung \(1-\ln(x)=0\), also \(x=e\). Die Extremstelle ist damit unabhängig von \(a\). 3. Für \(a>0\) wechselt \(f_a'\) bei \(x=e\) von positiv zu negativ, für \(a<0\) von negativ zu positiv. Daher liegt für jedes \(a\neq0\) tatsächlich ein Extrempunkt vor. Alle Extrempunkte haben die \(x\)-Koordinate \(e\) und liegen somit auf der Geraden \(x=e\). 4. An der Nullstelle \(x=1\) gilt \(f_a'(1)=a\frac{1-\ln(1)}{1^2}=a\). Die Tangentensteigung beträgt daher \(m=a\).

a) \(a=e^2\) b) Extremstelle \(x=e\); Ortsgerade der Extrempunkte: \(x=e\) c) \(m=a\)

- Nutze den Satz vom Nullprodukt, um die Nullstelle der Funktion zu finden. - Denke beim Ableiten an die Produktregel und vergiss das Nachdifferenzieren bei der Exponentialfunktion nicht. - Vergleiche die berechneten Terme für die Nullstelle und die Extremstelle miteinander. - Die Steigung an der Nullstelle erhältst du, indem du den x-Wert der Nullstelle in die Ableitungsfunktion einsetzt.

1. Bestimmung der Nullstelle: Da der Exponentialterm \(e^{1 - 0{,}5x}\) für alle \(x\) positiv ist, ergibt sich die Nullstelle aus der Bedingung \(x - k = 0\), woraus \(x_N = k\) folgt. 2. Berechnung der ersten Ableitung unter Verwendung der Produkt- und Kettenregel: \(f_k'(x) = e^{1 - 0{,}5x} + (x - k) \cdot (-0{,}5) \cdot e^{1 - 0{,}5x} = (1 - 0{,}5x + 0{,}5k) \cdot e^{1 - 0{,}5x}\). 3. Bestimmung der Extremstelle: Die notwendige Bedingung \(f_k'(x) = 0\) führt auf \(1 - 0{,}5x + 0{,}5k = 0\). Auflösen nach \(x\) ergibt \(0{,}5x = 0{,}5k + 1\), also \(x_E = k + 2\). 4. Vergleich der Stellen: Der Abstand zwischen Extremstelle und Nullstelle beträgt \(x_E - x_N = (k + 2) - k = 2\). Damit liegt die Extremstelle stets genau 2 Einheiten rechts von der Nullstelle. 5. Berechnung der Steigung an der Nullstelle: \(f_k'(k) = (1 - 0{,}5k + 0{,}5k) \cdot e^{1 - 0{,}5k} = e^{1 - 0{,}5k}\). 6. Bestimmung von \(k\) für Steigung 1: \(e^{1 - 0{,}5k} = 1 \iff 1 - 0{,}5k = 0 \iff k = 2\).

a) \(x_N = k\) b) Die Extremstelle liegt bei \(x_E = k + 2\). Die Differenz \(x_E - x_N = 2\) ist konstant. c) Für \(k = 2\) beträgt die Steigung an der Nullstelle genau \(1\).

- Nutze Produkt- und Kettenregel, um die ersten beiden Ableitungen zu bestimmen. - Für den Tiefpunkt brauchst du neben der Nullstelle der ersten Ableitung eine hinreichende Prüfung. - Bei der Wendepunktfrage ist der Vorzeichenwechsel der zweiten Ableitung entscheidend. - Eliminiere für die Ortskurve den Parameter mithilfe der \(x\)-Koordinate des Tiefpunkts.

1. Mit Produkt- und Kettenregel erhält man \(f_k'(x)=(0{,}5x-0{,}5k+1)e^{0{,}5x}\) und \(f_k''(x)=(0{,}25x-0{,}25k+1)e^{0{,}5x}\). 2. Aus \(f_k'(x)=0\) folgt wegen \(e^{0{,}5x}>0\) die Stelle \(x_T=k-2\). Dort ist \(f_k(k-2)=-2e^{0{,}5k-1}\). Außerdem gilt \(f_k''(k-2)=0{,}5e^{0{,}5k-1}>0\); damit liegt ein Tiefpunkt vor. 3. Aus \(f_k''(x)=0\) folgt eindeutig \(x_W=k-4\). Der lineare Faktor von \(f_k''\) wechselt dort sein Vorzeichen, während der Exponentialfaktor positiv bleibt. Daher besitzt jeder Graph genau einen Wendepunkt. 4. Für die Ortskurve der Tiefpunkte gilt \(x=k-2\), also \(k=x+2\). Wegen \(k>0\) ist \(x>-2\). Einsetzen in die \(y\)-Koordinate liefert \(y=-2e^{0{,}5x}\). Somit lautet die Ortskurve \(y=-2e^{0{,}5x}\) mit \(x\in]-2;\infty[\).

a) \(T\left(k-2\mid-2e^{0{,}5k-1}\right)\) b) Genau ein Wendepunkt bei \(x_W=k-4\) c) \(y=-2e^{0{,}5x}\) für \(x\in]-2;\infty[\)

- Wie kannst du prüfen, ob ein Punkt auf einem Schargraphen liegt? - Welche Faktoren der ersten Ableitung bestimmen die Hochpunktstelle? - Vergleiche nach dem Einsetzen der Hochpunktstelle ihre \(x\)- und \(y\)-Koordinate. - Welche beiden Kathetenlängen hat das Dreieck für den angegebenen Parameterwert?

1. Aus \(2e^{1-2k}=2e^{-1}\) folgt \(1-2k=-1\) und damit \(k=1\). 2. Mit Produkt- und Kettenregel ergibt sich \(f_k'(x)=e^{1-kx}(1-kx)\). 3. Wegen \(e^{1-kx}>0\) ist \(f_k'(x)=0\) genau für \(x_H=\frac{1}{k}\). Links davon ist \(f_k'>0\), rechts davon \(f_k'<0\); daher liegt dort ein Hochpunkt. 4. Es gilt \(f_k\left(\frac{1}{k}\right)=\frac{1}{k}\). Somit ist \(H_k\left(\frac{1}{k}\mid\frac{1}{k}\right)\). 5. Für jeden Hochpunkt stimmen \(x\)- und \(y\)-Koordinate überein. Daher liegen alle Hochpunkte auf \(y=x\). 6. Für \(k=0{,}5\) ist \(H_{0{,}5}(2\mid2)\) und \(B(2\mid0)\). Das rechtwinklige Dreieck hat Grundseite \(2\) und Höhe \(2\), also \(A=\frac12\cdot2\cdot2=2\,\text{FE}\).

a) \(k=1\) b) \(H_k\left(\frac{1}{k}\mid\frac{1}{k}\right)\) c) Für alle Hochpunkte gilt \(y_H=x_H\), also liegen sie auf \(y=x\). d) \(A=2\,\text{FE}\)

- Überlege dir, wie man ein Produkt gleich Null setzt. - Denke daran, dass das Vorzeichen des Parameters \(k\) die Krümmung und damit die Art der Extrema beeinflussen kann. - Wie viele Ableitungen benötigst du für die vollständige Untersuchung? - Setze die gefundenen \(x\)-Werte in die ursprüngliche Funktionsgleichung ein, um die \(y\)-Koordinaten zu erhalten.

1. Nullstellen bestimmen: Ansatz \(f_k(x) = 0 \implies x^2(x - 3k) = 0\). Die Nullstellen liegen bei \(x_1 = 0\) (doppelt) und \(x_2 = 3k\). 2. Ableitungen berechnen: \(f_k'(x) = 3x^2 - 6kx\), \(f_k''(x) = 6x - 6k\), \(f_k'''(x) = 6\). 3. Extremstellen ermitteln: Ansatz \(f_k'(x) = 0 \implies 3x(x - 2k) = 0\). Mögliche Extremstellen sind \(x_3 = 0\) und \(x_4 = 2k\). 4. Art der Extrema prüfen: Untersuchung von \(f_k''(x)\). Fall \(k > 0\): \(f_k''(0) = -6k < 0 \implies H(0 \mid 0)\); \(f_k''(2k) = 6k > 0 \implies T(2k \mid -4k^3)\). Fall \(k < 0\): \(f_k''(0) = -6k > 0 \implies T(0 \mid 0)\); \(f_k''(2k) = 6k < 0 \implies H(2k \mid -4k^3)\). 5. Wendestellen bestimmen: Ansatz \(f_k''(x) = 0 \implies 6x - 6k = 0 \implies x_5 = k\). Da \(f_k'''(k) = 6 \neq 0\), liegt bei \(x=k\) eine Wendestelle vor. Koordinaten: \(W(k \mid -2k^3)\).

Nullstellen: \(x_1=0\) ist eine doppelte Nullstelle; \(x_2=3k\) ist eine weitere Nullstelle. Extrema für \(k > 0\): Hochpunkt \(H(0 \mid 0)\), Tiefpunkt \(T(2k \mid -4k^3)\) Extrema für \(k < 0\): Tiefpunkt \(T(0 \mid 0)\), Hochpunkt \(H(2k \mid -4k^3)\) Wendepunkt: \(W(k \mid -2k^3)\)

- Überlege dir, wie das Ausklammern von \(x^2\) bei der Nullstellenberechnung hilft. - Beachte, dass Wurzeln aus negativen Zahlen im reellen Bereich nicht definiert sind. Welche Fälle für den Parameter musst du also unterscheiden? - Erinnere dich an die notwendigen und hinreichenden Kriterien für Extrema und Wendepunkte. - Untersuche das Vorzeichen der zweiten Ableitung an den kritischen Stellen, um die Art der Extrema zu bestimmen.

1. Nullstellen bestimmen: \(x^2(x^2 - 2a) = 0\) ergibt \(x_1 = 0\). Falls \(a > 0\), existieren zusätzlich \(x_{2,3} = \pm \sqrt{2a}\). Für \(a \leq 0\) ist \(x = 0\) die einzige Nullstelle. 2. Ableitungen bilden: \(f_a'(x) = 4x^3 - 4ax\), \(f_a''(x) = 12x^2 - 4a\). 3. Extrempunkte untersuchen: \(4x(x^2 - a) = 0\) liefert \(x = 0\) sowie für \(a > 0\) zusätzlich \(x = \pm \sqrt{a}\). - Fall \(a > 0\): \(f_a''(0) = -4a < 0 \implies HP(0 \mid 0)\). \(f_a''(\pm \sqrt{a}) = 8a > 0 \implies TP(\pm \sqrt{a} \mid -a^2)\). - Fall \(a \leq 0\): Einzige Extremstelle bei \(x = 0\). Da \(f_a'(x) = 4x(x^2-a)\) und \((x^2-a) > 0\) (außer für \(x=a=0\)), findet ein Vorzeichenwechsel von minus nach plus statt \(\implies TP(0 \mid 0)\). 4. Wendestellen bestimmen: \(12x^2 - 4a = 0 \implies x^2 = \frac{a}{3}\). - Für \(a > 0\) ergeben sich zwei Wendestellen bei \(x = \pm \sqrt{\frac{a}{3}}\), da hier \(f_a''(x) = 0\) mit Vorzeichenwechsel gilt. - Für \(a \leq 0\) gibt es keine Wendestellen, da \(12x^2 - 4a \geq 0\) für alle \(x\) gilt.

Nullstellen: \(x_1 = 0\); falls \(a > 0\): zusätzlich \(x_{2,3} = \pm \sqrt{2a}\). Extrempunkte: - Für \(a > 0\): \(HP(0 \mid 0)\) und \(TP(\pm \sqrt{a} \mid -a^2)\). - Für \(a \leq 0\): \(TP(0 \mid 0)\). Wendestellen: - Für \(a > 0\): \(x_{W1,2} = \pm \sqrt{\frac{a}{3}}\). - Für \(a \leq 0\): keine Wendestellen.

- Nutze die Produktregel für die Ableitungen und klammere \(e^x\) sowie gemeinsame Faktoren so oft wie möglich aus. - Die Nullstellen eines Produkts findest du, indem du jeden Faktor einzeln gleich Null setzt. - Überlege dir, ob \(e^x\) jemals Null werden kann. - Für die Wendestellen musst du eine quadratische Gleichung lösen, die den Parameter \(k\) enthält.

1. Nullstellen: Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), folgt aus \((x-k)^2 \cdot e^x = 0\) direkt \(x = k\). 2. Ableitungen mit Produktregel: \(g_k'(x) = 2(x-k)e^x + (x-k)^2e^x = (x-k)(2 + x - k)e^x = (x-k)(x-k+2)e^x\). Zweite Ableitung: \(g_k''(x) = (x-k+2)e^x + (x-k)e^x + (x-k)(x-k+2)e^x = (x^2 + (4-2k)x + k^2-4k+2)e^x\). 3. Extrempunkte: \(g_k'(x) = 0 \implies x_1 = k, x_2 = k-2\). - \(g_k''(k) = (k^2 + 4k - 2k^2 + k^2 - 4k + 2)e^k = 2e^k > 0 \implies TP(k \mid 0)\). - \(g_k''(k-2) = ((k-2)^2 + (4-2k)(k-2) + k^2 - 4k + 2)e^{k-2} = (k^2-4k+4 + 4k-8-2k^2+4k + k^2-4k+2)e^{k-2} = -2e^{k-2} < 0 \implies HP(k-2 \mid 4e^{k-2})\). 4. Wendestellen: \(x^2 + (4-2k)x + k^2-4k+2 = 0\) mit der p-q-Formel lösen: \(x = \frac{-(4-2k) \pm \sqrt{(4-2k)^2 - 4(k^2-4k+2)}}{2} = \frac{2k-4 \pm \sqrt{16-16k+4k^2-4k^2+16k-8}}{2} = \frac{2k-4 \pm \sqrt{8}}{2} = k - 2 \pm \sqrt{2}\). Da \(g_k'''(x) \neq 0\) an diesen Stellen, liegen Wendestellen vor.

Nullstellen: \(x = k\). Extrempunkte: \(TP(k \mid 0)\) und \(HP(k-2 \mid 4e^{k-2})\). Wendestellen: \(x_{W1,2} = k - 2 \pm \sqrt{2}\).

- Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit ein Punkt auf einem Graphen liegt? - Nutze eine geeignete Substitution, um die Gleichung in eine bekannte Form zu bringen. - Welchen Wertebereich hat die Exponentialfunktion? - Wann hat eine quadratische Gleichung keine positiven Lösungen?

1. Einsetzen der Koordinaten von \(P(0 \mid 1)\) in die Funktionsgleichung: \(e^{2 \cdot 0} - t \cdot e^0 + 4 = 1\). 2. Vereinfachen der Gleichung: \(1 - t + 4 = 1\), woraus \(5 - t = 1\) und somit \(t = 4\) folgt. 3. Untersuchung der Nullstellen: Die Gleichung \(e^{2x} - te^x + 4 = 0\) wird mit \(u = e^x\) (\(u > 0\)) substituiert zu \(u^2 - tu + 4 = 0\). 4. Die quadratische Gleichung hat keine reellen Lösungen für \(u\), wenn die Diskriminante \(D = t^2 - 16 < 0\) ist, also für \(-4 < t < 4\). 5. Falls \(D \ge 0\), existieren Lösungen für \(u\). Damit \(f_t\) keine Nullstellen hat, dürfen diese Lösungen nicht positiv sein. Die Lösungen sind \(u_{1,2} = \frac{t \pm \sqrt{t^2-16}}{2}\). Da das Produkt der Lösungen \(u_1 \cdot u_2 = 4\) positiv ist, haben beide dasselbe Vorzeichen. Sie sind beide nicht positiv, wenn ihre Summe \(u_1 + u_2 = t \le 0\) ist. 6. Kombination der Bedingungen: Für \(t < 4\) hat die Gleichung entweder keine reellen Lösungen für \(u\) oder nur Lösungen mit \(u \le 0\). Da \(u = e^x\) stets positiv ist, besitzt \(f_t\) für alle \(t < 4\) keine Nullstellen.

a) \(t = 4\) b) \(t < 4\)

- Wo genau auf der \(x\)-Achse befindet sich der Schnittpunkt mit der \(y\)-Achse? - Wenn eine Gerade mit der \(y\)-Achse einen Winkel von \(45^\circ\) einschließt, welchen Winkel bildet sie dann mit der \(x\)-Achse? - Erinnere dich an den Zusammenhang zwischen dem Neigungswinkel einer Tangente und ihrer Steigung. - Achte auf die Einschränkungen für die Parameter in der Aufgabenstellung.

1. Bestimmung von \(a\) über den \(y\)-Achsenabschnitt: \(f_{a,k}(0) = (0 + a) \cdot e^0 = a\). Da der Schnittpunkt bei \(y=3\) liegt, folgt \(a = 3\). 2. Ableitung der Funktion mit der Produkt- und Kettenregel: \(f_{a,k}'(x) = 1 \cdot e^{kx} + (x + a) \cdot k \cdot e^{kx} = (1 + kx + ak) \cdot e^{kx}\). 3. Berechnung der Tangentensteigung an der Stelle \(x=0\): \(f_{a,k}'(0) = (1 + 0 + 3k) \cdot e^0 = 1 + 3k\). 4. Auswertung der Winkelbedingung: Ein Winkel von \(45^\circ\) zur \(y\)-Achse bedeutet, dass die Tangente auch einen Winkel von \(45^\circ\) (oder \(-45^\circ\)) zur \(x\)-Achse hat. Daraus folgt für die Steigung \(m = \tan(45^\circ) = 1\) oder \(m = \tan(-45^\circ) = -1\). 5. Fallunterscheidung für \(k\): Fall 1: \(1 + 3k = 1 \Rightarrow 3k = 0 \Rightarrow k = 0\). Dieser Wert ist laut Aufgabenstellung ausgeschlossen. Fall 2: \(1 + 3k = -1 \Rightarrow 3k = -2 \Rightarrow k = -\frac{2}{3}\). 6. Ergebnis: Der Parameter \(a\) ist \(3\) und der Parameter \(k\) ist \(-\frac{2}{3}\).

Die gesuchten Werte sind \(a = 3\) und \(k = -\frac{2}{3}\).

- Welche Faktoren der Ableitungen können bei \(k>0\) überhaupt null werden? - Für einen Wendepunkt genügt \(f''(x)=0\) allein nicht; prüfe das Krümmungsverhalten auf beiden Seiten. - Die Tangentensteigung an einer Stelle ist der entsprechende Wert der ersten Ableitung.

1. \(f_k'(x)=2kx e^{1-x^2}\) und \(f_k''(x)=2ke^{1-x^2}(1-2x^2)\). 2. Wegen \(k>0\) und \(e^{1-x^2}>0\) gilt \(f_k'(x)=0\) genau für \(x=0\). Außerdem ist \(f_k''(0)=2ke>0\), also liegt \(T(0\mid-ke)\) vor. 3. Aus \(f_k''(x)=0\) folgen \(x=\pm\frac{1}{\sqrt2}\). Der Faktor \(1-2x^2\) wechselt an beiden einfachen Nullstellen sein Vorzeichen; die übrigen Faktoren sind positiv. Daher sind beide Stellen tatsächlich Wendestellen. Es gilt \(f_k\left(\pm\frac{1}{\sqrt2}\right)=-k\sqrt e\). 4. Am rechten Wendepunkt ist \(f_k'\left(\frac{1}{\sqrt2}\right)=k\sqrt{2e}\). Aus \(k\sqrt{2e}=1\) folgt \(k=\frac{1}{\sqrt{2e}}\).

a) \(T(0\mid-ke)\) b) \(W_{1,2}\left(\pm\frac{1}{\sqrt2}\mid-k\sqrt e\right)\) c) \(k=\frac{1}{\sqrt{2e}}\)

- Denke an die Produktregel und die Kettenregel beim Ableiten von Funktionen mit \(e\)-Termen. - Wann hat eine quadratische Gleichung zwei, eine oder gar keine Lösung? - Ein lokaler Extrempunkt setzt voraus, dass die erste Ableitung an dieser Stelle ihr Vorzeichen wechselt. - Wie hängen das Vorzeichen der Ableitung und das Steigungsverhalten des Graphen zusammen?

1. Ableitung von \(f_a\) bestimmen: Unter Verwendung der Produkt- und Kettenregel ergibt sich \(f_a'(x) = 2x \cdot e^{-x} + (x^2 + a) \cdot (-e^{-x}) = (-x^2 + 2x - a) \cdot e^{-x}\). 2. Notwendige Bedingung für Extremstellen \(f_a'(x) = 0\): Da \(e^{-x} > 0\), muss die quadratische Gleichung \(-x^2 + 2x - a = 0\) bzw. \(x^2 - 2x + a = 0\) gelöst werden. 3. Diskriminante untersuchen: \(D = (-2)^2 - 4 \cdot 1 \cdot a = 4 - 4a\). - Für \(a < 1\) ist \(D > 0\): Es existieren zwei verschiedene reelle Nullstellen mit Vorzeichenwechsel, also zwei lokale Extremstellen. - Für \(a = 1\) ist \(D = 0\): Es gibt eine doppelte Nullstelle bei \(x = 1\). Da die Ableitung dort keinen Vorzeichenwechsel hat, liegt keine Extremstelle vor. - Für \(a > 1\) ist \(D < 0\): Es gibt keine reellen Nullstellen und somit keine Extremstellen. 4. Analyse für \(a = -3\): Die Ableitung ist \(f_{-3}'(x) = (-x^2 + 2x + 3) \cdot e^{-x}\). Die Nullstellen sind \(x_1 = -1\) und \(x_2 = 3\). 5. Monotonie von \(f_{-3}\): Da der quadratische Term eine nach unten geöffnete Parabel beschreibt, ist \(f_{-3}'(x) < 0\) für \(x \in ]-\infty;-1[\) und \(x \in ]3;\infty[\) sowie \(f_{-3}'(x) > 0\) für \(x \in ]-1;3[\). 6. Extrempunkte berechnen: - Tiefpunkt bei \(x = -1\): \(f_{-3}(-1) = ((-1)^2 - 3) \cdot e^1 = -2e\). Punkt: \(T(-1 \mid -2e)\). - Hochpunkt bei \(x = 3\): \(f_{-3}(3) = (3^2 - 3) \cdot e^{-3} = 6e^{-3}\). Punkt: \(H(3 \mid 6e^{-3})\).

a) Für \(a < 1\) besitzt die Funktion zwei lokale Extremstellen. Für \(a \ge 1\) besitzt sie keine lokalen Extremstellen. b) Die Funktion \(f_{-3}\) ist im Intervall \([-1; 3]\) streng monoton steigend und in den Intervallen \(]-\infty;-1]\) sowie \([3;\infty[\) streng monoton fallend. Die Extrempunkte sind \(T(-1 \mid -2e)\) und \(H(3 \mid 6e^{-3})\).

- Welche Potenzen von \(x\) kommen in der Funktionsgleichung vor, wenn der Graph achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse ist? - Wie viele Unbekannte musst du bestimmen und wie viele Informationen liefert der Text? - Was bedeutet die Information über den Wendepunkt für die Ableitungen der Funktion? - Setze die gegebenen Punkte und Eigenschaften in Gleichungen um.

1. Aufgrund der Achsensymmetrie gilt der Ansatz \(f(x) = ax^4 + cx^2 + e\). 2. Aus \(f(0)=4\) folgt \(e=4\). 3. Aus \(f(2)=0\) folgt \(16a+4c+4=0\), also \(4a+c=-1\). 4. Wegen des Wendepunkts bei \(x=1\) gilt \(f''(1)=0\). Mit \(f''(x)=12ax^2+2c\) folgt \(12a+2c=0\), also \(c=-6a\). 5. Einsetzen ergibt \(4a-6a=-1\), also \(a=0{,}5\) und \(c=-3\). 6. Damit lautet die Funktion \(f(x)=0{,}5x^4-3x^2+4\). 7. Für diese Funktion ist \(f'''(x)=12x\) und somit \(f'''(1)=12\neq0\). Damit ist die geforderte Wendestelle tatsächlich verifiziert.

\(f(x) = 0{,}5x^4 - 3x^2 + 4\)

- Übersetze Ursprung, Sattelpunkt und Extremstelle in Gleichungen für \(f\), \(f'\) und \(f''\). - Nach dem Lösen des Koeffizientensystems musst du die beiden qualitativen Aussagen noch mit hinreichenden Kriterien prüfen. - Welche höhere Ableitung kann einen stationären Wendepunkt bestätigen, und wie lässt sich eine stationäre Extremstelle klassifizieren?

1. Setze \(f(x)=ax^4+bx^3+cx^2+dx+e\). Aus \(f(0)=0\) folgt \(e=0\). 2. Der Sattelpunkt liefert \(f(2)=2\), \(f'(2)=0\) und \(f''(2)=0\). Die Extremstelle bei \(x=1\) liefert \(f'(1)=0\). 3. Das lineare Gleichungssystem ergibt \(a=-\frac38\), \(b=\frac52\), \(c=-6\), \(d=6\). Somit ist \(f(x)=-\frac38x^4+\frac52x^3-6x^2+6x\). 4. \(f'''(x)=-9x+15\), also \(f'''(2)=-3\neq0\); damit ist \(S(2\mid2)\) tatsächlich ein Sattelpunkt. 5. \(f''(x)=-\frac92x^2+15x-12\), also \(f''(1)=-\frac32<0\). Daher liegt bei \(x=1\) tatsächlich ein lokales Maximum vor.

\(f(x)=-\frac38x^4+\frac52x^3-6x^2+6x\). Bei \(x=2\) liegt ein Sattelpunkt, bei \(x=1\) ein lokales Maximum vor.

- Welche Ableitungsregel brauchst du für den Quotienten? - Welches Vorzeichen hat der Nenner der Ableitung auf dem Definitionsbereich? - Welche Koeffizienten bestimmen den Grenzwert einer linearen gebrochen-rationalen Funktion im Unendlichen? - Was bedeutet ein endlicher Grenzwert für das asymptotische Verhalten?

1. Mit der Quotientenregel folgt \(g_a'(x)=\frac{a(x+2)-(ax+4)}{(x+2)^2}=\frac{2a-4}{(x+2)^2}\). 2. Für \(x\neq-2\) ist der Nenner positiv. Daher ist \(g_a'(x)<0\) genau dann, wenn \(2a-4<0\), also \(a<2\). Für \(a=2\) ist die Funktion konstant. 3. Für linearen Zähler und Nenner gilt \(\lim_{x\to\infty}g_a(x)=a\). 4. Bei \(y=\frac{ax+b}{cx+d}\) mit \(c\neq0\) ist der Grenzwert für \(x\to\pm\infty\) gleich \(\frac{a}{c}\). Daher besitzt eine solche Funktion eine waagerechte Asymptote und keine unendlichen Grenzwerte im Unendlichen.

1. \(g_a'(x)=\frac{2a-4}{(x+2)^2}\) 2. \(a<2\) 3. \(\lim_{x\to\infty}g_a(x)=a\) 4. Nein; bei linearem Zähler und Nenner liegt ein endlicher Grenzwert \(\frac{a}{c}\) vor.

- Wann ist eine Funktion auf ihrem gesamten Definitionsbereich umkehrbar? - Was bedeutet dies für das Vorzeichen der ersten Ableitung an jeder Stelle \(x\)? - Da die Ableitung hier eine quadratische Funktion ist: Unter welcher Bedingung hat eine nach oben geöffnete Parabel keine Werte unterhalb der \(x\)-Achse? - Erinnere dich an den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Nullstellen einer quadratischen Funktion und ihrer Diskriminante.

1. Aufstellen der Ableitungsfunktion: \(g_k'(x) = 3x^2 + 2kx + 12\). 2. Bedingung für globale Umkehrbarkeit: Die Funktion \(g_k\) ist auf \(\mathbb{R}\) umkehrbar, wenn sie dort streng monoton ist. Da der Leitkoeffizient von \(g_k\) positiv ist, muss \(g_k'(x) \geq 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\) gelten, wobei \(g_k'\) keine Nullstellen in einem echten Intervall besitzen darf. 3. Analyse der quadratischen Ableitungsfunktion: Da der Graph von \(g_k'\) eine nach oben geöffnete Parabel ist, ist die Bedingung \(g_k'(x) \geq 0\) erfüllt, wenn die Diskriminante \(D\) der zugehörigen quadratischen Gleichung \(3x^2 + 2kx + 12 = 0\) kleiner oder gleich null ist. 4. Berechnung der Diskriminante: \(D = (2k)^2 - 4 \cdot 3 \cdot 12 = 4k^2 - 144\). 5. Lösen der Ungleichung: \(4k^2 - 144 \leq 0 \iff 4k^2 \leq 144 \iff k^2 \leq 36 \iff -6 \leq k \leq 6\). 6. Ergebnis: Für \(k \in [-6; 6]\) besitzt \(g_k'\) entweder keine oder nur eine isolierte Nullstelle (bei \(k=6\) oder \(k=-6\)), sodass \(g_k\) auf \(\mathbb{R}\) streng monoton wachsend und somit umkehrbar ist.

Die Funktion \(g_k\) ist für \(k \in [-6; 6]\) auf ihrem gesamten Definitionsbereich umkehrbar.

- Leite die Funktion schrittweise ab und achte beim Vereinfachen der zweiten Ableitung darauf, den Zähler auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen. - Beim Lösen nach \(a\) kann es hilfreich sein, die Gleichung durch Quadrieren von der Wurzel zu befreien und danach alle positiven Lösungen zu prüfen. - Für die Tangentengleichung benötigst du sowohl den Funktionswert als auch den Wert der ersten Ableitung an der betrachteten Stelle.

1. Ableitungen: \(g_a'(x) = \frac{4x}{2\sqrt{2x^2 + a}} = \frac{2x}{\sqrt{2x^2 + a}}\). Die zweite Ableitung ergibt sich über die Quotientenregel zu \(g_a''(x) = \frac{2\sqrt{2x^2+a} - 2x \cdot \frac{2x}{\sqrt{2x^2+a}}}{2x^2+a} = \frac{2(2x^2+a) - 4x^2}{(2x^2+a)^{3/2}} = \frac{2a}{(2x^2+a)^{3/2}}\). 2. Bedingung \(g_a''(1) = 0{,}5\): \(\frac{2a}{(2 + a)^{3/2}} = 0{,}5\). Da beide Seiten positiv sind, darf quadriert werden: \(4a = (a+2)^{3/2}\), also \(16a^2 = (a+2)^3\). Dies führt zu \(a^3 - 10a^2 + 12a + 8 = 0 = (a-2)(a^2-8a-4)\). Mit \(a > 0\) erhält man \(a = 2\) oder \(a = 4 + 2\sqrt{5}\). 3. Für \(a = 1\) ist \(g_1(2) = \sqrt{2 \cdot 2^2 + 1} = 3\). Die Steigung ist \(g_1'(2) = \frac{2 \cdot 2}{\sqrt{2 \cdot 4 + 1}} = \frac{4}{3}\). 4. Die Tangentengleichung lautet \(y = \frac{4}{3}(x - 2) + 3\), was zu \(y = \frac{4}{3}x + \frac{1}{3}\) vereinfacht wird.

a) Nachweis über Quotientenregel: \(g_a''(x) = \frac{2a}{(2x^2 + a)^{3/2}}\) b) \(a = 2\) oder \(a = 4 + 2\sqrt{5}\) c) \(y = \frac{4}{3}x + \frac{1}{3}\)

- Im Nenner muss der Radikand strikt positiv sein. - Bei endlichen Randpunkten eines offenen Definitionsintervalls ist wichtig, aus welcher Seite man sich dem Rand nähern darf. - Für die Minimumsfrage genügt eine Vorzeichenanalyse der ersten Ableitung.

1. Es muss \(1-ax^2>0\) gelten. Für \(a<0\) ist dies für alle \(x\) erfüllt, also \(D_a=\mathbb{R}\). Für \(a>0\) gilt \(|x|<\frac1{\sqrt a}\), also \(D_a=\left]-\frac1{\sqrt a};\frac1{\sqrt a}\right[\). 2. \(g_a(-x)=g_a(x)\), also liegt Achsensymmetrie zur \(y\)-Achse vor. 3. Für \(a>0\) gilt \(\lim_{x\to-\frac1{\sqrt a}+}g_a(x)=+\infty\) und \(\lim_{x\to\frac1{\sqrt a}-}g_a(x)=+\infty\). Es handelt sich jeweils um einseitige Grenzwerte aus dem Definitionsbereich heraus. 4. Aus \(g_a(x)=a(1-ax^2)^{-1/2}\) folgt \(g_a'(x)=\frac{a^2x}{(1-ax^2)^{3/2}}\). Der Nenner und \(a^2\) sind im Definitionsbereich positiv, daher ist \(g_a'(x)<0\) für \(x<0\) und \(g_a'(x)>0\) für \(x>0\). Somit liegt bei \(x=0\) ein lokales Minimum.

a) Für \(a<0\): \(D_a=\mathbb{R}\); für \(a>0\): \(D_a=\left]-\frac1{\sqrt a};\frac1{\sqrt a}\right[\) b) \(g_a(-x)=g_a(x)\) c) \(\lim_{x\to-\frac1{\sqrt a}+}g_a(x)=+\infty\), \(\lim_{x\to\frac1{\sqrt a}-}g_a(x)=+\infty\) d) \(g_a'(x)=\frac{a^2x}{(1-ax^2)^{3/2}}\); lokales Minimum bei \(x=0\)

- Prüfe zuerst, ob es einen Parameterwert gibt, bei dem Zähler und Nenner proportional werden. - Löse die Gleichung \(y=f_a(x)\) nach \(x\) auf und vergleiche anschließend die Definitionsbereiche von Funktion und Umkehrfunktion. - Welche geometrische Spiegelung verbindet einen Funktionsgraphen mit seinem Umkehrgraphen? - Wie liest du bei einer gebrochen-rationalen Funktion die senkrechte und die waagerechte Asymptote ab?

1. Für \(a=-\frac53\) gilt \(ax+5=-\frac53(x-3)\). Damit ist \(f_a(x)=-\frac53\) für alle \(x\ne3\). Diese Funktion ist nicht injektiv und besitzt keine Umkehrfunktion. 2. Für \(a\ne-\frac53\) ist \(f_a\) eine nichtkonstante gebrochen-rationale Funktion. Aus \(y=\frac{ax+5}{x-3}\) folgt \(x(y-a)=3y+5\), also \(f_a^{-1}(x)=\frac{3x+5}{x-a}\). Der Definitionsbereich von \(f_a\) ist \(\mathbb R\setminus\{3\}\), der Definitionsbereich von \(f_a^{-1}\) ist \(\mathbb R\setminus\{a\}\). Sind beide Funktionen identisch, müssen insbesondere ihre Definitionsbereiche übereinstimmen. Daher ist \(a=3\). Für \(a=3\) stimmen auch die Funktionsterme überein. 3. Der Graph einer Funktion und der Graph ihrer Umkehrfunktion sind Spiegelbilder an der Geraden \(y=x\). Ist die Funktion mit ihrer Umkehrfunktion identisch, ist ihr Graph achsensymmetrisch zu \(y=x\). 4. Für \(a=3\) gilt \(f_3(x)=\frac{3x+5}{x-3}=3+\frac{14}{x-3}\). Die Asymptoten sind daher \(x=3\) und \(y=3\). Ihr Schnittpunkt \(S(3\mid3)\) liegt auf \(y=x\).

1. \(a=3\). Der Sonderfall \(a=-\frac53\) ist ausgeschlossen, weil \(f_a\) dann konstant und nicht umkehrbar ist. 2. Symmetrieachse: \(y=x\). Die Asymptoten von \(f_3\) sind \(x=3\) und \(y=3\); ihr Schnittpunkt \(S(3\mid3)\) liegt auf dieser Geraden.

- Nutze die Koordinaten des Punktes \(P\) und die Information über die Tangente, um zwei Gleichungen für \(a\) und \(b\) aufzustellen. - Erinnere dich daran, dass \(\ln(e) = 1\) ist. - Welcher Teilterm der Funktion „wächst“ schneller, wenn \(x\) sehr groß wird: ein Logarithmus oder eine Potenz? - Wie kannst du mit der zweiten Ableitung die Art eines Extrempunktes überprüfen?

1. Gleichungssystem aufstellen: Aus \(P(e | 1) \in G_g\) folgt \(g(e) = a\ln(e) + be^2 = a + b e^2 = 1\). Die Ableitung ist \(g'(x) = \frac{a}{x} + 2bx\). Aus der waagerechten Tangente folgt \(g'(e) = \frac{a}{e} + 2be = 0\), was äquivalent zu \(a + 2be^2 = 0\) ist. 2. Parameter berechnen: Subtraktion der ersten von der zweiten Gleichung liefert \(be^2 = -1\), also \(b = -e^{-2} = -\frac{1}{e^2}\). Einsetzen in die erste Gleichung ergibt \(a - 1 = 1\), also \(a = 2\). 3. Grenzwerte untersuchen: Für \(x \to 0^+\) gilt \(2 \ln(x) \to -\infty\) und \(-\frac{1}{e^2}x^2 \to 0\), also \(g(x) \to -\infty\). Für \(x \to \infty\) dominiert das quadratische Glied mit negativem Koeffizienten das logarithmische Glied, also \(\lim_{x \to \infty} x^2 \left( \frac{2 \ln(x)}{x^2} - \frac{1}{e^2} \right) = -\infty\). 4. Nachweis des Hochpunkts: Die zweite Ableitung ist \(g''(x) = -2x^{-2} - 2e^{-2}\). Einsetzen von \(x = e\) ergibt \(g''(e) = -\frac{2}{e^2} - \frac{2}{e^2} = -\frac{4}{e^2}\). Da \(g''(e) < 0\), liegt ein lokaler Hochpunkt vor.

a) \(a = 2\); \(b = -\frac{1}{e^2}\) b) \(\lim_{x \to 0^+} g(x) = -\infty\); \(\lim_{x \to \infty} g(x) = -\infty\) c) Da \(g'(e) = 0\) und \(g''(e) = -\frac{4}{e^2} < 0\), ist \(P\) ein lokaler Hochpunkt.

- Setze die Koordinaten des Punktes \( S \) einfach in die allgemeine Funktionsgleichung ein. - Erinnere dich daran, welche Hochzahl man benötigt, um die Basis auf den Wert im Logarithmus zu bringen. - Nutze die Umrechnungsformel, um eine der beiden Funktionen auf die Basis der anderen umzuschreiben.

1. Für \( x = 1 \) gilt \( y = a \cdot \log_b(1) \). Da \( \log_b(1) = 0 \) für alle zulässigen \( b \) ist, folgt \( y = a \cdot 0 = 0 \). Somit liegt \( S(1 \mid 0) \) auf jedem Graphen. 2. Prüfung für \( a=2, b=3 \): \( 2 \cdot \log_3(9) = 2 \cdot 2 = 4 \). Die Bedingung ist erfüllt. 3. Prüfung für \( a=4, b=9 \): \( 4 \cdot \log_9(9) = 4 \cdot 1 = 4 \). Die Bedingung ist ebenfalls erfüllt. 4. Umformung von \( y = 4 \cdot \log_9(x) \) mit der Basis \( k = 3 \): \( y = 4 \cdot \frac{\log_3(x)}{\log_3(9)} \). 5. Da \( \log_3(9) = 2 \) ist, ergibt sich \( y = 4 \cdot \frac{\log_3(x)}{2} = 2 \cdot \log_3(x) \). Die Graphen und Funktionen sind also identisch.

a) Da \( \log_b(1) = 0 \), ist \( y = a \cdot 0 = 0 \). b) Beides führt auf \( y = 4 \). c) Es handelt sich um dieselbe Funktion, da \( 4 \cdot \log_9(x) = 4 \cdot \frac{\log_3(x)}{2} = 2 \cdot \log_3(x) \).

- Wann hat ein Produkt aus zwei Termen den Wert Null? - Was sagt die erste Ableitung über die Steigung des Graphen aus? - Wie viele Lösungen kann eine quadratische Gleichung in Abhängigkeit von ihrer Diskriminante haben? - Ein Wendepunkt setzt voraus, dass die zweite Ableitung an dieser Stelle ihr Vorzeichen ändert. Was bedeutet das für den Term in der Klammer?

1. Nullstellenbestimmung: Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), müssen die Nullstellen von \(x^2 - k = 0\) gefunden werden. Für \(k < 0\) gibt es keine Nullstellen. Für \(k = 0\) gibt es die doppelte Nullstelle \(x = 0\). Für \(k > 0\) gibt es zwei Nullstellen bei \(x_1 = -\sqrt{k}\) und \(x_2 = \sqrt{k}\). 2. Waagerechte Tangente bei \(x=1\): Die erste Ableitung ist \(g_k'(x) = 2x e^x + (x^2 - k) e^x = (x^2 + 2x - k) e^x\). Die Bedingung \(g_k'(1) = 0\) führt zu \((1^2 + 2 \cdot 1 - k) e^1 = (3 - k) e = 0\), woraus \(k = 3\) folgt. 3. Anzahl der Extrempunkte: Die Anzahl der Extrempunkte entspricht der Anzahl der Vorzeichenwechsel von \(g_k'(x)\). Die quadratische Gleichung \(x^2 + 2x - k = 0\) hat zwei verschiedene reelle Lösungen, wenn die Diskriminante \(D = 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-k) = 4 + 4k > 0\) ist. Dies ist für \(k > -1\) der Fall. Da es sich um eine nach oben geöffnete Parabel handelt, findet an beiden Stellen ein Vorzeichenwechsel statt. 4. Wendepunkte: Die zweite Ableitung ist \(g_k''(x) = (2x + 2) e^x + (x^2 + 2x - k) e^x = (x^2 + 4x + 2 - k) e^x\). Ein Wendepunkt existiert nur, wenn \(g_k''(x)\) eine Nullstelle mit Vorzeichenwechsel hat. Die Diskriminante der quadratischen Klammer ist \(D_W = 4^2 - 4 \cdot 1 \cdot (2 - k) = 16 - 8 + 4k = 8 + 4k\). Wenn \(D_W < 0\) ist, hat \(g_k''(x)\) keine Nullstellen und somit keinen Wendepunkt; dies gilt für \(k < -2\). Wenn \(D_W = 0\) (also \(k = -2\)), hat \(g_k''(x) = (x+2)^2 e^x\) eine Nullstelle ohne Vorzeichenwechsel, also ebenfalls keinen Wendepunkt. Der Graph hat somit keinen Wendepunkt für \(k \le -2\).

a) Für \(k < 0\): keine Nullstellen; für \(k=0\): \(x=0\) als doppelte Nullstelle; für \(k > 0\): \(x = \pm \sqrt{k}\). b) \(k = 3\). c) Für \(k > -1\). d) Für \(k \le -2\).

- Was muss für die erste Ableitung an einer Extremstelle gelten? - Wie hilft dir die zweite Ableitung bei der Bestimmung der Art eines Extremums? - Untersuche die Gleichung für die notwendige Bedingung von Wendepunkten auf die Anzahl ihrer Lösungen. - Beachte, dass eine Nullstelle der zweiten Ableitung nur dann ein Wendepunkt ist, wenn dort ein Vorzeichenwechsel stattfindet.

1. Teil a): Die notwendige Bedingung für eine Extremstelle ist \(f_k'(-1) = 0\). Mit \(f_k'(x) = x^3 + kx + 2\) folgt \((-1)^3 + k(-1) + 2 = 0\), woraus \(-1 - k + 2 = 0\) und somit \(k = 1\) resultiert. 2. Zur Bestimmung der Art prüft man \(f_1''(-1)\). Mit \(f_k''(x) = 3x^2 + k\) ergibt sich \(f_1''(-1) = 3(-1)^2 + 1 = 4 > 0\). Es liegt also ein lokales Minimum vor. 3. Teil b): Wendepunkte liegen an den Stellen vor, an denen \(f_k''(x) = 0\) gilt und ein Vorzeichenwechsel stattfindet. Die Bedingung \(3x^2 + k = 0\) führt auf \(x^2 = -\frac{k}{3}\). 4. Falls \(k > 0\), hat die Gleichung keine reelle Lösung, da \(x^2\) nicht negativ sein kann. Es gibt keine Wendepunkte. 5. Falls \(k = 0\), ist \(f_0''(x) = 3x^2\). Die einzige Nullstelle liegt bei \(x = 0\), jedoch ohne Vorzeichenwechsel. Es gibt keinen Wendepunkt. 6. Falls \(k < 0\), hat die Gleichung zwei Lösungen \(x_{1,2} = \pm \sqrt{-\frac{k}{3}}\). Da es sich um einfache Nullstellen einer nach oben geöffneten Parabel handelt, findet jeweils ein Vorzeichenwechsel statt. Es gibt genau zwei Wendepunkte.

a) \(k = 1\); es handelt sich um ein lokales Minimum. b) Für \(k \ge 0\) besitzt der Graph keine Wendepunkte; für \(k < 0\) besitzt er genau zwei Wendepunkte.

- Überlege dir, welche Bedingung die Diskriminante einer quadratischen Gleichung erfüllen muss, damit es zwei verschiedene Lösungen gibt. - Der Wendepunkt wird berechnet, indem du die zweite Ableitung gleich null setzt. - Vergiss nicht, den x-Wert in die ursprüngliche Funktionsgleichung einzusetzen, um den y-Wert des Punktes zu erhalten.

1. Ableitungen bestimmen: \(g_a'(x) = x^2 + 2ax + 4\), \(g_a''(x) = 2x + 2a\), \(g_a'''(x) = 2\). 2. Notwendige Bedingung für Extrema: \(x^2 + 2ax + 4 = 0\). Anwendung der \(pq\)-Formel ergibt \(x = -a \pm \sqrt{a^2 - 4}\). 3. Existenz von zwei Extremstellen: Die Diskriminante \(D = a^2 - 4\) muss größer als null sein. Dies ist der Fall für \(a < -2\) oder \(a > 2\). In diesen Fällen ist \(g_a''(-a \pm \sqrt{a^2 - 4}) = \pm 2\sqrt{a^2 - 4} \neq 0\), sodass tatsächlich zwei Extrema vorliegen. 4. Wendepunkt: \(g_a''(x) = 0 \implies 2x + 2a = 0 \implies x = -a\). Da \(g_a'''(-a) = 2 \neq 0\), ist dies eine Wendestelle. 5. Funktionswert berechnen: \(g_a(-a) = \frac{1}{3}(-a)^3 + a(-a)^2 + 4(-a) = -\frac{1}{3}a^3 + a^3 - 4a = \frac{2}{3}a^3 - 4a\). Der Wendepunkt liegt bei \(W(-a \mid \frac{2}{3}a^3 - 4a)\).

a) Die Graphen besitzen genau zwei relative Extrempunkte für \(|a| > 2\) (also \(a < -2\) oder \(a > 2\)). b) Der Wendepunkt hat die Koordinaten \(W(-a \mid \frac{2}{3}a^3 - 4a)\).

- Was muss für die erste und zweite Ableitung an einer Hochstelle gelten? - Wie kannst du den Logarithmus eines Bruchs mithilfe von Logarithmengesetzen umschreiben? - Welche Gleichung muss die \(y\)-Koordinate eines Punktes erfüllen, wenn er auf der \(x\)-Achse liegt? - Wie löst man eine Gleichung der Form \(\ln(x) = c\) nach \(x\) auf?

1. Erste Ableitung: \(f_a'(x) = \frac{1}{x} - a\). Nullsetzen ergibt \(\frac{1}{x} = a \Rightarrow x = \frac{1}{a}\). Da \(a > 0\), liegt die Stelle im Definitionsbereich. 2. Art des Extrempunkts: \(f_a''(x) = -\frac{1}{x^2}\). Da \(f_a''(\frac{1}{a}) = -a^2 < 0\) für alle \(a > 0\), handelt es sich stets um einen Hochpunkt. 3. Lage auf der \(x\)-Achse: Die Bedingung \(f_a(\frac{1}{a}) = 0\) führt zu \(\ln(\frac{1}{a}) - a \cdot \frac{1}{a} = 0\). Dies vereinfacht sich zu \(-\ln(a) - 1 = 0 \Rightarrow \ln(a) = -1\). 4. Auflösen nach \(a\): Es folgt \(a = e^{-1} = \frac{1}{e}\).

a) \(f_a'(x) = 0 \Rightarrow x = \frac{1}{a}\); \(f_a''(x) = -\frac{1}{x^2} < 0\), somit existiert für jedes \(a\) genau ein Hochpunkt an der Stelle \(x = \frac{1}{a}\). b) \(a = \frac{1}{e}\)

- Setze die zweite Ableitung gleich Null und versuche, die Terme mit \(x\) auf eine Seite zu bringen. - Was weißt du über das Vorzeichen von \(e^x\)? Was muss also für die andere Seite der Gleichung gelten? - Nutze die Potenzgesetze, um Ausdrücke wie \(e^{ax}\) in \(e^{(a-1)x} \cdot e^x\) oder ähnliches umzuformen. - Beachte, dass ein Logarithmus nur für positive Argumente definiert ist.

Zuerst werden die Ableitungen gebildet: \(f_a'(x) = ae^x + ae^{ax}\) \(f_a''(x) = ae^x + a^2e^{ax}\) Für eine Wendestelle muss \(f_a''(x) = 0\) gelten: \(ae^x + a^2e^{ax} = 0 \iff a(e^x + ae^{ax}) = 0\) Da \(a \neq 0\), muss \(e^x + ae^{ax} = 0\) gelten, also \(e^x = -ae^{ax}\). Division durch \(e^{ax}\) ergibt \(e^{(1-a)x} = -a\). Damit diese Gleichung eine Lösung für \(x\) besitzt, muss die rechte Seite positiv sein: \(-a > 0 \implies a < 0\). Zudem muss die Basis im Exponenten ungleich Null sein: \(1-a \neq 0 \implies a \neq 1\). Da \(a < 0\) vorausgesetzt ist, ist dies erfüllt. Die \(x\)-Koordinate der Wendestelle ist \(x_W = \frac{\ln(-a)}{1-a}\). Da \(f_a'''(x) = ae^x + a^3e^{ax}\) an der Stelle \(x_W\) den Wert \(a \cdot e^{x_W} + a^2(a \cdot e^{ax_W}) = a \cdot e^{x_W} + a^2(-e^{x_W}) = (a-a^2)e^{x_W}\) annimmt, was für \(a < 0\) ungleich Null ist (\(a(1-a) \neq 0\)), liegt ein Vorzeichenwechsel vor. Berechnung des \(y\)-Werts: \(y_W = a \cdot e^{x_W} + e^{ax_W} = a \cdot e^{x_W} + e^{(a-1)x_W} \cdot e^{x_W}\) Mit \(e^{(1-a)x_W} = -a\) folgt \(e^{(a-1)x_W} = (-a)^{-1} = -\frac{1}{a}\). Einsetzen ergibt \(y_W = a \cdot e^{x_W} - \frac{1}{a} e^{x_W} = (a - \frac{1}{a}) e^{x_W} = \frac{a^2-1}{a}(-a)^{\frac{1}{1-a}}\).

Die Wendestelle existiert genau dann, wenn \(a < 0\) ist, da nur dann die Gleichung \(e^{(1-a)x} = -a\) lösbar ist. Die Koordinaten der Wendestelle sind: \(x_W = \frac{\ln(-a)}{1-a}\) \(y_W = \frac{a^2-1}{a}(-a)^{\frac{1}{1-a}}\)

- Bei der Klassifikation genügt es nicht, nur \(g_a'=0\) beziehungsweise \(g_a''=0\) zu lösen; untersuche den jeweiligen Vorzeichenwechsel. - Der Exponentialfaktor ist immer positiv. Welcher lineare Faktor bestimmt daher jeweils das Vorzeichen? - Für c) setze den Ableitungswert an der Wendestelle mit der geforderten Steigung gleich.

1. \(g_a'(x)=(1-a^2-ax)e^{-ax}\) und \(g_a''(x)=(a^2x+a^3-2a)e^{-ax}\). 2. Aus \(g_a'(x)=0\) folgt \(x_H=\frac1a-a\). Der Exponentialfaktor ist positiv, und der lineare Faktor \(1-a^2-ax\) fällt wegen \(a>0\) streng mit \(x\); er wechselt an \(x_H\) von positiv zu negativ. Daher liegt dort tatsächlich ein lokales Maximum. 3. Aus \(g_a''(x)=0\) folgt \(x_W=\frac2a-a\). Der lineare Faktor \(a^2x+a^3-2a\) steigt streng mit \(x\) und wechselt an \(x_W\) von negativ zu positiv. Daher liegt dort tatsächlich ein Wendepunkt. 4. \(x_W-x_H=\frac1a\). 5. \(g_a'(x_W)=-e^{a^2-2}\). Aus \(-e^{a^2-2}=-1\) folgt \(a^2=2\), also wegen \(a>0\): \(a=\sqrt2\).

a) \(x_H=\frac1a-a\), \(x_W=\frac2a-a\) b) Abstand \(\frac1a\) c) \(a=\sqrt2\)

- Bestimme zuerst die ersten drei Ableitungen der Funktion. - Untersuche die Gleichungen \(g_k'(x) = 0\) und \(g_k''(x) = 0\) getrennt voneinander. - Beachte dabei, dass im Definitionsbereich \(x\) immer positiv sein muss. - Wie beeinflusst das Vorzeichen von \(k\), ob die Gleichungen eine Lösung im Bereich \(x > 0\) haben? - Nutze die Logarithmusgesetze, um den y-Wert des Wendepunkts zu vereinfachen.

1. Ableitungen berechnen: \(g_k'(x) = \frac{k}{x} + 2x\), \(g_k''(x) = -\frac{k}{x^2} + 2\) und \(g_k'''(x) = \frac{2k}{x^3}\). Notwendige Bedingung für Extremum: \(g_k'(x) = 0 \iff \frac{k+2x^2}{x} = 0 \iff 2x^2 = -k\). Da \(x^2 > 0\), gibt es nur für \(k < 0\) eine Lösung \(x_E = \sqrt{-\frac{k}{2}}\). Wegen \(g_k''(x_E) = -\frac{k}{-k/2} + 2 = 4 > 0\) ist dies ein Minimum. Notwendige Bedingung für Wendepunkt: \(g_k''(x) = 0 \iff \frac{2x^2-k}{x^2} = 0 \iff 2x^2 = k\). Da \(x^2 > 0\), gibt es nur für \(k > 0\) eine Lösung \(x_W = \sqrt{\frac{k}{2}}\). Wegen \(g_k'''(x_W) = \frac{2k}{(k/2)^{1{,}5}} \neq 0\) liegt ein Wendepunkt vor. Da \(k\) entweder positiv oder negativ ist, tritt genau einer der Fälle ein. 2. Der Wendepunkt existiert für \(k > 0\). Die x-Koordinate ist \(x_W = \sqrt{\frac{k}{2}}\). Einsetzen in \(g_k\): \(y_W = k \cdot \ln\left(\sqrt{\frac{k}{2}}\right) + \left(\sqrt{\frac{k}{2}}\right)^2 = k \cdot \frac{1}{2} \ln\left(\frac{k}{2}\right) + \frac{k}{2} = \frac{k}{2} \left(\ln\left(\frac{k}{2}\right) + 1\right)\). Koordinaten: \(W\left(\sqrt{\frac{k}{2}} \mid \frac{k}{2} \left(\ln\left(\frac{k}{2}\right) + 1\right)\right)\).

1. Für \(k < 0\) existiert ein lokales Minimum bei \(x = \sqrt{-k/2}\), für \(k > 0\) existiert ein Wendepunkt bei \(x = \sqrt{k/2}\). 2. Wendepunkt \(W\left(\sqrt{\frac{k}{2}} \mid \frac{k}{2} \left(\ln\left(\frac{k}{2}\right) + 1\right)\right)\) für \(k > 0\).

- Welche Symmetriebedingung kannst du direkt am Funktionsterm prüfen? - Welche Ableitungsregel brauchst du für den gebrochen-rationalen Term? - Wie beeinflusst das Vorzeichen von \(k\) die Art der beiden Extrempunkte? - Wie helfen Extremwerte und Grenzverhalten bei der Wertemenge?

1. Es gilt \(f_k(-x)=-f_k(x)\). Daher ist jeder Graph punktsymmetrisch zum Ursprung. 2. Mit der Quotientenregel folgt \(f_k'(x)=\frac{k(4-x^2)}{(x^2+4)^2}\). Die stationären Stellen sind \(x=\pm2\). Es gilt \(f_k(-2)=-\frac{k}{4}\) und \(f_k(2)=\frac{k}{4}\). Für \(k>0\) ist der linke Punkt ein Tiefpunkt und der rechte ein Hochpunkt; für \(k<0\) vertauschen sich die Rollen. 3. Für \(x\to\pm\infty\) gilt \(f_k(x)\to0\). 4. Die Extremwerte begrenzen die Funktionswerte, daher ist \(W_{f_k}=\left[-\frac{|k|}{4};\frac{|k|}{4}\right]\).

1. Punktsymmetrisch zum Ursprung 2. Extrempunkte bei \(\left(-2\mid-\frac{k}{4}\right)\) und \(\left(2\mid\frac{k}{4}\right)\), deren Art vom Vorzeichen von \(k\) abhängt 3. \(\lim_{x\to\pm\infty}f_k(x)=0\) 4. \(W_{f_k}=\left[-\frac{|k|}{4};\frac{|k|}{4}\right]\)

- Welche Symmetrie folgt aus dem ausschließlichen Auftreten gerader Potenzen von \(x\)? - Bilde \(h_k'\) und untersuche, welche Faktoren von \(x\) beziehungsweise \(k\) die stationären Stellen beeinflussen. - Prüfe gesondert, ob es einen Parameterwert gibt, bei dem der parameterabhängige Faktor der Ableitung vollständig verschwindet. - Für die Art einer isolierten stationären Stelle kannst du die zweite Ableitung verwenden.

1. Wegen \(h_k(-x)=h_k(x)\) sind alle Graphen achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse. 2. Mit der Quotientenregel folgt \(h_k'(x)=\frac{-2x(k+4)}{(x^2-4)^2}\). 3. Für \(k=-4\) gilt \(h_{-4}(x)=1\) auf dem Definitionsbereich; daher gibt es keine isolierten Extrempunkte. 4. Für \(k\neq-4\) ist \(x=0\) die einzige stationäre Stelle. Es gilt \(h_k(0)=-\frac{k}{4}\) und \(h_k''(0)=-\frac{k+4}{8}\). 5. Für \(k>-4\) liegt daher \(H\left(0\mid-\frac{k}{4}\right)\) vor; für \(k<-4\) liegt \(T\left(0\mid-\frac{k}{4}\right)\) vor.

a) Für alle \(k\) achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse. b) Für \(k>-4\): \(H\left(0\mid-\frac{k}{4}\right)\); für \(k<-4\): \(T\left(0\mid-\frac{k}{4}\right)\); für \(k=-4\): keine isolierten Extrempunkte.

- Welche Ableitungsregel brauchst du für die Funktionenschar? - Wann wird der Zähler der Ableitung von einer quadratischen zu einer linearen Funktion? - Was sagt die Diskriminante über die Zahl der Nullstellen des Ableitungszählers aus? - Warum führen zwei einfache Nullstellen des Ableitungszählers hier tatsächlich zu zwei Extremstellen?

1. Mit der Quotientenregel folgt \(g_{a,b}'(x)=\frac{-ax^2+2(1-b)x+a}{(x^2+1)^2}\). 2. Für \(a=0\) wird der Zähler der Ableitung zu \(2(1-b)x\). Ist \(b\neq1\), gibt es genau eine einfache Nullstelle bei \(x=0\), also genau ein lokales Extremum. 3. Für \(a\neq0\) ist der Zähler quadratisch. Die Diskriminante lautet \(D=4(1-b)^2+4a^2\). 4. Wegen \(a\neq0\) gilt \(D>0\) für jedes \(b\). Daher besitzt der Zähler zwei verschiedene reelle Nullstellen. Da der Nenner der Ableitung stets positiv ist, wechselt \(g_{a,b}'\) an beiden Stellen das Vorzeichen; es existieren genau zwei Extremstellen.

a) Ja. Für \(a=0\) und \(b\neq1\) besitzt \(g_{a,b}\) genau ein lokales Extremum bei \(x=0\). b) Für \(a\neq0\) ist \(D=4(1-b)^2+4a^2>0\); daher besitzt \(g_{a,b}\) stets genau zwei Extremstellen.

- Der maximale Wert einer Funktion \(a \sin(x) + b \cos(x)\) entspricht der Amplitude der kombinierten Schwingung. - Nutze die Darstellung \(A \sin(x + \alpha)\), um die Lage der Maxima einfacher zu bestimmen. - Wann erreicht die Standard-Sinusfunktion \(\sin(u)\) ihren ersten Höchstpunkt? - Verwende die Beziehung zwischen den Koeffizienten und dem Tangens des Phasenwinkels.

1. Eine Linearkombination der Form \(a \sin(x) + b \cos(x)\) hat die Amplitude \(A = \sqrt{a^2 + b^2}\). Hier ist \(a = t\) und \(b = \sqrt{11}\). Die Extrema liegen somit bei \(y_{max} = \sqrt{t^2 + 11}\) und \(y_{min} = -\sqrt{t^2 + 11}\). 2. Für \(t = \sqrt{5}\) ist \(A = \sqrt{(\sqrt{5})^2 + (\sqrt{11})^2} = \sqrt{5 + 11} = 4\). 3. Zur Bestimmung von \(\alpha\) gilt \(\cos(\alpha) = \frac{t}{A} = \frac{\sqrt{5}}{4}\) und \(\sin(\alpha) = \frac{\sqrt{11}}{A} = \frac{\sqrt{11}}{4}\). Da beide positiv sind, folgt \(\alpha = \arcsin\left(\frac{\sqrt{11}}{4}\right) \approx 0{,}98\). 4. Eine Funktion der Form \(A \sin(x + \alpha)\) hat ihr erstes Maximum dort, wo das Argument \(x + \alpha = \frac{\pi}{2}\) ist. 5. Gegeben ist \(x = \frac{\pi}{3}\), woraus folgt: \(\frac{\pi}{3} + \alpha = \frac{\pi}{2} \Rightarrow \alpha = \frac{\pi}{6}\). 6. Es gilt \(\tan(\alpha) = \frac{\sqrt{11}}{t}\). Mit \(\alpha = \frac{\pi}{6}\) ergibt sich \(\tan\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{11}}{t}\). 7. Auflösen nach \(t\) liefert \(t = \sqrt{33}\).

a) Maxima: \(\sqrt{t^2 + 11}\); Minima: \(-\sqrt{t^2 + 11}\) b) \(A = 4\); \(\alpha \approx 0{,}98\) c) \(t = \sqrt{33} \approx 5{,}74\)

- Bringe die beiden trigonometrischen Terme für die Nullstellen in eine Form mit einem gemeinsamen Faktor. - Berücksichtige, welchen Wertebereich der Kosinus im vorgegebenen Intervall besitzt. - Für die Monotonie entscheidet das Vorzeichen der ersten Ableitung auf beiden Seiten der stationären Stelle.

1. Es gilt \(g_k(x)=\sin x\left(1-\frac{k}{\cos x}\right)\). Damit folgt \(g_k(x)=0\) aus \(\sin x=0\) oder \(\cos x=k\). 2. Im Intervall \(I\) ist \(x=0\) stets eine Nullstelle. Für \(0<k<1\) gibt es zusätzlich genau die Lösung \(x=\arccos k\), also insgesamt zwei Nullstellen. Für \(k\ge1\) gibt es keine weitere Lösung in \(I\); damit bleibt nur \(x=0\). 3. Für \(k=0{,}5\) gilt \(g_{0{,}5}'(x)=\cos x-\frac{0{,}5}{\cos^2x}=\frac{2\cos^3x-1}{2\cos^2x}\). Die einzige stationäre Stelle im Intervall erfüllt \(\cos x=\sqrt[3]{0{,}5}\), also \(x_E=\arccos\left(\sqrt[3]{0{,}5}\right)\approx0{,}65\). 4. Der Nenner der Ableitung ist positiv. Der Zähler \(2\cos^3x-1\) ist vor \(x_E\) positiv und danach negativ. Daher ist \(g_{0{,}5}\) bis \(x_E\) streng monoton steigend und danach streng monoton fallend; bei \(x_E\) liegt ein Hochpunkt vor.

a) Für \(0<k<1\): zwei Nullstellen; für \(k\ge1\): nur \(x=0\) b) Steigend auf \([0;x_E]\), fallend auf \([x_E;\frac\pi2[\) mit \(x_E=\arccos\left(\sqrt[3]{0{,}5}\right)\approx0{,}65\); dort liegt ein Hochpunkt.

- Untersuche das Vorzeichen der ersten Ableitung für verschiedene Werte des Parameters. - Wann ist eine Funktion über ihrem gesamten Definitionsbereich umkehrbar? - Nutze Logarithmengesetze, um Differenzen von Logarithmen zusammenzufassen. - Verwende bei der Bestimmung der Umkehrfunktion eine Substitution wie \(u = e^x\) oder die quadratische Ergänzung. - Du kannst die Ableitung der Umkehrfunktion entweder direkt bestimmen oder die Formel \((f^{-1})'(y) = \frac{1}{f'(x)}\) nutzen.

1. Zur Untersuchung der Extrema wird die erste Ableitung \(f_a'(x) = 2e^{2x} + a e^x = e^x(2e^x + a)\) gebildet. Für \(a \geq 0\) ist \(f_a'(x) > 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\), die Funktion ist streng monoton steigend und besitzt keine Extrema. Damit ist \(f_a\) für \(a \geq 0\) auf \(\mathbb{R}\) umkehrbar. Für \(a < 0\) liegt bei \(e^x = -\frac{a}{2}\), also \(x_T = \ln(-\frac{a}{2})\), ein lokales Minimum vor. In diesem Fall ist die Funktion auf \(\mathbb{R}\) nicht umkehrbar. 2. Die zweite Ableitung lautet \(f_a''(x) = 4e^{2x} + a e^x = e^x(4e^x + a)\). Ein Wendepunkt existiert für \(a < 0\) bei \(4e^x = -a\), woraus \(x_W = \ln(-\frac{a}{4})\) folgt. Die Differenz der x-Koordinaten ist \(x_T - x_W = \ln(-\frac{a}{2}) - \ln(-\frac{a}{4}) = \ln\left(\frac{-a/2}{-a/4}\right) = \ln(2)\). Dieser Wert ist unabhängig von \(a\). 3. Für \(a = 2\) ist \(y = e^{2x} + 2e^x\). Durch quadratische Ergänzung folgt \(y = (e^x + 1)^2 - 1\). Auflösen nach \(x\) ergibt \(e^x = \sqrt{y+1} - 1\) (da \(e^x > 0\)), also \(f_2^{-1}(x) = \ln(\sqrt{x+1} - 1)\). Da \(e^x > 0\) für alle \(x\), ist der Wertebereich von \(f_2\) das Intervall \(]0; \infty[\), was dem Definitionsbereich der Umkehrfunktion entspricht. 4. Die Ableitung der Umkehrfunktion berechnet sich zu \((f_2^{-1})'(x) = \frac{1}{\sqrt{x+1}-1} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x+1}} = \frac{1}{2(x+1 - \sqrt{x+1})}\).

a) Für \(a \geq 0\) ist \(f_a\) streng monoton steigend und auf \(\mathbb{R}\) umkehrbar. Für \(a < 0\) besitzt der Graph einen Tiefpunkt bei \(x = \ln(-\frac{a}{2})\) und ist auf \(\mathbb{R}\) nicht umkehrbar. b) \(x_T - x_W = \ln(2)\). c) \(f_2^{-1}(x) = \ln(\sqrt{x+1} - 1)\) mit \(D = \{x \in \mathbb{R} \mid x > 0\}\). d) \((f_2^{-1})'(x) = \frac{1}{2(x+1 - \sqrt{x+1})}\).

- Untersuche für die Grenzwerte, wie sich der Term \(e^x\) verhält. - Faktoriere die zweite Ableitung so weit wie möglich, um die Nullstellen leicht zu finden. - Denk an das Kriterium der strengen Monotonie: Eine Funktion ist auch dann streng monoton, wenn die Ableitung nur an einzelnen, isolierten Stellen Null ist. - Nutze für die Ableitung der Umkehrfunktion an einer Stelle den Zusammenhang \((f^{-1})'(y) = \frac{1}{f'(x)}\) mit \(y = f(x)\).

1. Nullstelle: \((e^x - k)^3 = 0 \implies e^x = k \implies x = \ln(k)\). Grenzwerte: Für \(x \to \infty\) gilt \(g_k(x) \to \infty\); für \(x \to -\infty\) gilt \(g_k(x) \to (0 - k)^3 = -k^3\). 2. Ableitungen: \(g_k'(x) = 3(e^x - k)^2 e^x\) und \(g_k''(x) = 6(e^x - k)e^{2x} + 3(e^x - k)^2 e^x = 3e^x(e^x - k)(2e^x + e^x - k) = 3e^x(e^x - k)(3e^x - k)\). Die Nullstellen der zweiten Ableitung liegen bei \(e^x = k\) (\(x_{W1} = \ln(k)\)) und \(e^x = \frac{k}{3}\) (\(x_{W2} = \ln(\frac{k}{3})\)). Da \(g_k''(x)\) an beiden Stellen das Vorzeichen wechselt, liegen zwei Wendepunkte vor. Abstand: \(\Delta x = \ln(k) - \ln(\frac{k}{3}) = \ln\left(\frac{k}{k/3}\right) = \ln(3)\). 3. Da \(3(e^x - k)^2 \geq 0\) und \(e^x > 0\), ist \(g_k'(x) \geq 0\) für alle \(x\). Da die einzige Nullstelle der Ableitung bei \(x = \ln(k)\) isoliert ist, ist \(g_k\) streng monoton steigend und somit auf \(\mathbb{R}\) umkehrbar. Umkehrfunktion: \(y = (e^x - k)^3 \implies \sqrt[3]{y} = e^x - k \implies e^x = \sqrt[3]{y} + k \implies g_k^{-1}(x) = \ln(\sqrt[3]{x} + k)\). 4. Gesucht ist \((g_k^{-1})'(k^3)\). Es gilt \(g_k(x) = k^3 \iff (e^x - k)^3 = k^3 \iff e^x - k = k \iff e^x = 2k \iff x = \ln(2k)\). Die Ableitung der Funktion an dieser Stelle ist \(g_k'(\ln(2k)) = 3(2k - k)^2 \cdot 2k = 3k^2 \cdot 2k = 6k^3\). Der Wert der Ableitung der Umkehrfunktion ist somit \(\frac{1}{g_k'(\ln(2k))} = \frac{1}{6k^3}\).

a) Nullstelle bei \(x = \ln(k)\). Grenzwerte: \(\lim_{x \to \infty} g_k(x) = \infty\) und \(\lim_{x \to -\infty} g_k(x) = -k^3\). b) Wendestellen bei \(x_1 = \ln(k)\) und \(x_2 = \ln(\frac{k}{3})\); Abstand \(\ln(3)\). c) \(g_k\) ist streng monoton steigend; \(g_k^{-1}(x) = \ln(\sqrt[3]{x} + k)\) mit \(D_{g_k^{-1}} = ]-k^3; \infty[\). d) \((g_k^{-1})'(k^3) = \frac{1}{6k^3}\).

- Nutze für die zweite Ableitung Produkt- und Kettenregel. - Setze \(z=x^2\) und beachte ausdrücklich, dass \(z\ge0\) gilt. - Eine positive \(z\)-Lösung erzeugt zwei Lösungen für \(x\); zwei verschiedene positive \(z\)-Lösungen erzeugen vier. - Untersuche für Teil 3 neben der Diskriminante auch die Lage des Scheitelpunkts relativ zum Bereich \(z\ge0\).

1. Die erste Ableitung ist \(g_a'(x)=-2ax(x^2+a)^{-2}\). Mit Produkt- und Kettenregel folgt \(g_a''(x)=-2a(x^2+a)^{-2}+8ax^2(x^2+a)^{-3}\) \(=\frac{-2a(x^2+a)+8ax^2}{(x^2+a)^3}\) \(=\frac{6ax^2-2a^2}{(x^2+a)^3}\). 2. Aus \(g_a(x)=g_a''(x)\) folgt wegen \(a>0\): \((x^2+a)^2=6x^2-2a\). Mit \(z=x^2\ge0\) erhält man \(z^2+(2a-6)z+a^2+2a=0\). Die Diskriminante ist \(D=36-32a\). Für \(0<a<\frac98\) gilt \(D>0\). Außerdem sind dann die Summe der beiden Nullstellen \(6-2a>0\) und ihr Produkt \(a^2+2a>0\), also sind beide Nullstellen positiv. Das ergäbe vier verschiedene Lösungen für \(x\). Für \(a>\frac98\) gibt es keine reellen \(z\)-Nullstellen. Genau bei \(D=0\), also bei \(a=\frac98\), gibt es eine einzige positive doppelte Nullstelle \(z=3-a=\frac{15}{8}\). Daraus entstehen genau die zwei Lösungen \(x=\pm\sqrt{\frac{15}{8}}\). 3. Die Ungleichung \(g_a(x)\ge g_a''(x)\) ist äquivalent zu \(q_a(z)=z^2+(2a-6)z+a^2+2a\ge0\) für alle \(z=x^2\ge0\). Für \(0<a<\frac98\) besitzt \(q_a\) zwei positive Nullstellen und ist zwischen ihnen negativ. Die Bedingung ist dann nicht erfüllt. Für \(\frac98\le a<3\) gilt \(D\le0\), also ist \(q_a(z)\ge0\) für alle reellen \(z\). Für \(a\ge3\) liegt der Scheitel bei \(z=3-a\le0\); auf \([0,\infty)\) ist die Parabel daher steigend und beginnt bei \(q_a(0)=a^2+2a>0\). Somit gilt die Ungleichung genau für \(a\ge\frac98\).

1. \(g_a''(x)=\frac{6ax^2-2a^2}{(x^2+a)^3}\) 2. \(a=\frac98\) 3. \(a\ge\frac98\)

- Bestimme zuerst die erste Ableitung der Funktion \(f_a(x)\) mithilfe der Produkt- und Kettenregel. - Setze die erste Ableitung gleich null, um die potenziellen Extremstellen zu finden. Was fällt dir bezüglich des Parameters \(a\) auf? - Nutze das Verhalten der Ableitung oder die zweite Ableitung, um zu zeigen, um welche Art von Extrempunkt es sich handelt. - Setze die x-Koordinate des Hochpunkts in die Funktionsgleichung ein, um die y-Koordinate in Abhängigkeit von \(a\) auszudrücken, und löse nach \(a\) auf. - Nutze die allgemeine Tangentenformel \(t(x) = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)\) für die Stelle \(x_0 = 1\) und vereinfache den Term.

1. Es gilt \(f_a'(x)=ax(2-x)e^{-x}\). Wegen \(a>0\) und \(e^{-x}>0\) sind die stationären Stellen \(x=0\) und \(x=2\), unabhängig vom Parameter. 2. Die zweite Ableitung lautet \(f_a''(x)=a(x^2-4x+2)e^{-x}\). Daher gilt \(f_a''(0)=2a>0\) und \(f_a''(2)=-2ae^{-2}<0\). Somit liegt bei \(x=0\) ein Tiefpunkt und bei \(x=2\) ein Hochpunkt. 3. Die Höhe des Hochpunkts ist \(f_a(2)=4ae^{-2}\). Aus \(4ae^{-2}=4\) folgt \(a=e^2\). 4. Für \(a=10\) gilt \(f_{10}(1)=10e^{-1}\) und \(f_{10}'(1)=10e^{-1}\). Die Tangente lautet \(t(x)=\frac{10}{e}(x-1)+\frac{10}{e}=\frac{10}{e}x\). Sie verläuft durch den Ursprung.

a) Extremstellen: \(x=0\) (Tiefpunkt) und \(x=2\) (Hochpunkt) b) \(a=e^2\) c) \(t(x)=\frac{10}{e}x\); die Tangente verläuft durch den Ursprung.

- Trenne die Parameterfälle danach, wie viele reelle Lösungen die Gleichung \(f_a'(x)=0\) besitzt. - Für die Extremumart ist das Vorzeichen von \(f_a'\) auf den entstehenden Intervallen entscheidend. - Übersetze einen Schnittpunkt mit \(y=x\) in eine Gleichung und faktorisiere vollständig. - Vergleiche am Ende die beiden Parameterbedingungen aus den verschiedenen Teilaufgaben.

1. Es gilt \(f_a'(x)=3x^2-3a=3(x^2-a)\). 2. Für \(a<0\) ist \(x^2-a>0\) für alle \(x\); es gibt keine stationäre Stelle und \(f_a\) ist streng steigend. Für \(a=0\) ist nur \(x=0\) stationär; \(f_0'(x)=3x^2\) wechselt dort nicht das Vorzeichen, also liegt kein Extrempunkt vor. Für \(a>0\) sind \(x=\pm\sqrt a\) stationär. Das Vorzeichen von \(f_a'\) wechselt bei \(-\sqrt a\) von positiv zu negativ und bei \(\sqrt a\) von negativ zu positiv; es liegen ein Hoch- und ein Tiefpunkt vor. 3. Für \(a>0\) gilt \(f_a(-\sqrt a)=2a\sqrt a\) und \(f_a(\sqrt a)=-2a\sqrt a\). Somit sind \(H_a(-\sqrt a\mid2a\sqrt a)\) und \(T_a(\sqrt a\mid-2a\sqrt a)\). 4. Schnittpunkte mit \(y=x\) erfüllen \(x^3-3ax=x\), also \(x(x^2-(3a+1))=0\). Für \(a\le-\frac13\) gibt es nur den Schnittpunkt \((0\mid0)\); für \(a>-\frac13\) kommen zwei verschiedene Lösungen \(x=\pm\sqrt{3a+1}\) hinzu. 5. Zwei Extrempunkte erfordern \(a>0\), ein einziger Schnittpunkt mit \(y=x\) erfordert \(a\le-\frac13\). Beide Bedingungen können nicht gleichzeitig erfüllt sein.

a) \(a<0\): keine stationäre Stelle; \(a=0\): eine stationäre Stelle bei \(x=0\), aber kein Extrempunkt; \(a>0\): Hochpunkt bei \(x=-\sqrt a\) und Tiefpunkt bei \(x=\sqrt a\). b) \(H_a(-\sqrt a\mid2a\sqrt a)\), \(T_a(\sqrt a\mid-2a\sqrt a)\) c) Für \(a\le-\frac13\) genau ein Schnittpunkt; für \(a>-\frac13\) drei verschiedene Schnittpunkte. d) Nein, weil dafür gleichzeitig \(a>0\) und \(a\le-\frac13\) gelten müsste.