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Notizen/Mathematik/Analysis — Funktionen und Modelle
Notizen · MathematikDE · Abitur

Analysis — Funktionen und Modelle

Ganzrationale, gebrochenrationale, trigonometrische und Exponentialfunktionen sowie deren Modellbildung. Eigenschaften wie Definitionsbereich, Symmetrie, Monotonie, Nullstellen und Asymptoten bilden die Grundlage für Differential- und Integralrechnung. Eigene Abschnitte behandeln die Exponential- und Logarithmusfunktion (e-Funktion, natürlicher Logarithmus) sowie die trigonometrischen Funktionen (Sinus, Kosinus, Tangens; Einheitskreis, Bogenmaß, Amplitude, Periode, Phase).

7 Abschnitte·~12 Min Lesezeit·3 Kompetenzen·Niveau Basis 2 · Standard 5·Stand 05/2026

T·0222 / 10
Prüfungsprofil
L4 · Leitidee Funktionaler ZusammenhangK3 · Mathematisch modellierenK4 · Mathematische Darstellungen verwenden
Operatoren:untersuchenbeschreibenmodelliereninterpretierenvergleichen

grundlegendes Niveau

gA: Standardfunktionstypen (lineare, quadratische, Polynom dritten Grades, Exponential- und Sinusfunktion) erkennen, charakterisieren und in Sachkontexten interpretieren. Modellanpassung über zwei bis drei gegebene Bedingungen.

erhöhtes Niveau

eA: Funktionenscharen, allgemeine Symmetrie- und Verschiebungssätze, Verkettungen (Komposition), Umkehrfunktionen und detaillierte Modellkritik. Aufstellen vollständiger Funktionsgleichungen aus Steckbriefaufgaben.

Tiefe

Lesetiefe: Vertiefung

Schrift

Schriftgröße: Standard

Inhalt · 7 Abschnitte▾
  1. Analysis — Funktionen und Modelle
    • 01Funktionsbegriff, Definitions- und Wertebereich○
    • 02Quadratische Funktionen und Scheitelpunktform○
    • 03Ganzrationale Funktionen höheren Grades◐
    • 04Gebrochenrationale Funktionen◐
    • 05Exponential- und Logarithmusfunktionen◐
    • 06Trigonometrische Funktionen◐
    • 07Symmetrien und Transformationen◐
§ 01

Funktionsbegriff, Definitions- und Wertebereich#

●○○BasisLPL4

Kernpunkte

Eine Funktion f:D→Wf: D\to Wf:D→W ordnet jedem xxx aus dem Definitionsbereich DDD genau ein y=f(x)y=f(x)y=f(x) aus dem Wertebereich WWW zu.
Der maximale Definitionsbereich ergibt sich aus den arithmetischen Beschränkungen (Nullstellen im Nenner, negative Argumente unter Wurzeln, Logarithmen).
Wertebereich kann oft erst nach Kurvendiskussion oder Symmetrieüberlegung präzise angegeben werden.
Graph einer Funktion: Gf={(x,f(x))∣x∈D}⊆R2G_{f} = \{(x, f(x)) \mid x \in D\}\subseteq \mathbb{R}^{2}Gf​={(x,f(x))∣x∈D}⊆R2.
Zwischen Funktionsterm, Wertetabelle und Graph muss flüssig gewechselt werden können — Grundkompetenz K4.
Verkettung f∘gf\circ gf∘g definiert durch (f∘g)(x)=f(g(x))(f\circ g)(x)=f(g(x))(f∘g)(x)=f(g(x)) ist nur für g(x)∈Dfg(x)\in D_{f}g(x)∈Df​ erlaubt.
f(−x)=f(x)  (Achsensymmetrie),f(−x)=−f(x)  (Punktsymmetrie zum Ursprung)f(-x) = f(x)\;\text{(Achsensymmetrie),}\quad f(-x) = -f(x)\;\text{(Punktsymmetrie zum Ursprung)}f(−x)=f(x)(Achsensymmetrie),f(−x)=−f(x)(Punktsymmetrie zum Ursprung)

Symmetriekriterien für Funktionsgraphen

Abiturfokus

  • KMK-Operator „angeben": Definitionsbereich vollständig, mit Ausschluss aller Polstellen.
  • KMK-Operator „beschreiben": Wertebereich in Intervallschreibweise.
  • Verschiebungen, Spiegelungen und Streckungen sicher beherrschen — Standardrepertoire jedes Funktionentyps.
  • Bei Verkettungen Reihenfolge beachten — f∘g≠g∘ff\circ g \neq g\circ ff∘g=g∘f im Allgemeinen.

Typische Fehler

  • Polstellen bei Bruchfunktionen werden nicht aus dem Definitionsbereich ausgeschlossen.
  • Wertebereich wird mit Definitionsbereich verwechselt.
  • Verkettung wird in falscher Reihenfolge gelesen; f(g(x))f(g(x))f(g(x)) wird als g(f(x))g(f(x))g(f(x)) interpretiert.
  • Bei Wurzelfunktion wird die Bedingung Argument≥0\text{Argument}\geq 0Argument≥0 vergessen.

LK-Vertiefung

eA: Untersuchen Sie die Verkettung h(x)=f(g(x))h(x)=f(g(x))h(x)=f(g(x)) mit f(u)=uf(u)=\sqrt{u}f(u)=u​ und g(x)=4−x2g(x)=4-x^{2}g(x)=4−x2 auf Definitionsbereich und Wertebereich; geben Sie die Umkehrfunktion explizit an.

Aktive Wiederholung

Bestimmen Sie den maximalen Definitionsbereich der Funktion f(x)=ln⁡(x−2)5−xf(x)=\dfrac{\ln(x-2)}{\sqrt{5-x}}f(x)=5−x​ln(x−2)​ und beschreiben Sie das Verhalten von fff an den Randpunkten.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 02

Quadratische Funktionen und Scheitelpunktform#

●○○BasisLPL4

Kernpunkte

Quadratische Funktion in Normalform: f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^{2}+bx+cf(x)=ax2+bx+c; in Scheitelpunktform f(x)=a(x−d)2+ef(x)=a(x-d)^{2}+ef(x)=a(x−d)2+e mit Scheitel S(d∣e)S(d\mid e)S(d∣e).
Vorzeichen des Streckfaktors aaa bestimmt die Öffnungsrichtung: a>0a>0a>0 nach oben, a<0a<0a<0 nach unten; ∣a∣>1|a|>1∣a∣>1 schmaler, ∣a∣<1|a|<1∣a∣<1 weiter als Normalparabel.
Aus Normalform gewinnt man die Scheitelpunktform durch quadratische Ergänzung.
Nullstellen via pq- oder abc-Formel; Diskriminante entscheidet über Anzahl reeller Lösungen.
Anwendungen: Wurfparabel, Maximierung von Flächen oder Gewinnen, Eingrenzung von Wertebereichen.
Symmetrieachse der Parabel ist die senkrechte Gerade x=dx=dx=d.
f(x)=a(x−d)2+e⟺S(d∣e)f(x) = a(x - d)^{2} + e\quad \Longleftrightarrow \quad S(d \mid e)f(x)=a(x−d)2+e⟺S(d∣e)

Scheitelpunktform einer quadratischen Funktion

Interaktive Grafik lädt…

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Musterlösung

Scheitelpunkt durch quadratische Ergänzung

Bestimmen Sie den Scheitelpunkt der Funktion f(x)=2x2−8x+3f(x) = 2x^{2} - 8x + 3f(x)=2x2−8x+3 und interpretieren Sie das Ergebnis als globales Extremum.

  1. 01Schritt 1 — Streckfaktor ausklammern

    f(x)=2(x2−4x)+3f(x) = 2(x^{2} - 4x) + 3f(x)=2(x2−4x)+3.

  2. 02Schritt 2 — Quadratische Ergänzung

    In der Klammer ergänze (−4/2)2=4(-4/2)^{2}=4(−4/2)2=4: x2−4x=(x−2)2−4x^{2}-4x = (x-2)^{2}-4x2−4x=(x−2)2−4.

    f(x)=2[(x−2)2−4]+3=2(x−2)2−5f(x) = 2\left[(x-2)^{2}-4\right] + 3 = 2(x-2)^{2} - 5f(x)=2[(x−2)2−4]+3=2(x−2)2−5
  3. 03Schritt 3 — Scheitelpunkt ablesen

    Vergleich mit a(x−d)2+ea(x-d)^{2}+ea(x−d)2+e: d=2d=2d=2, e=−5e=-5e=−5, also S(2∣−5)S(2\mid -5)S(2∣−5).

  4. 04Schritt 4 — Interpretieren

    Da a=2>0a=2>0a=2>0 ist die Parabel nach oben geöffnet; S(2∣−5)S(2\mid -5)S(2∣−5) ist globales Minimum mit f(2)=−5f(2)=-5f(2)=−5.

Ergebnis: Scheitelpunkt S(2∣−5)S(2\mid -5)S(2∣−5); globales Minimum bei x=2x=2x=2, Funktionswert −5-5−5.

Abiturfokus

  • KMK-Operator „bestimmen": Scheitelpunkt mit nachvollziehbarer quadratischer Ergänzung.
  • KMK-Operator „interpretieren": Bedeutung des Scheitels im Sachkontext (Maximum/Minimum, Symmetrie).
  • Wechsel zwischen Normal- und Scheitelpunktform sauber dokumentieren.
  • Bei gestreckter Parabel (a≠1a\neq 1a=1) Streckfaktor vor der Ergänzung ausklammern.

Typische Fehler

  • Vorzeichenfehler beim Quadrieren von (x−d)(x-d)(x−d).
  • Streckfaktor aaa wird vergessen, wenn er nicht 1 ist.
  • Verwechslung Scheitel- mit y-Achsenschnittpunkt: letzterer ist f(0)f(0)f(0).
  • Bei a<0a<0a<0 wird Scheitel fälschlich als Minimum interpretiert.

LK-Vertiefung

eA: Leiten Sie die allgemeine Scheitelpunktformel S ⁣(−b2a  ∣  c−b24a)S\!\left(-\tfrac{b}{2a}\;\Big|\;c-\tfrac{b^{2}}{4a}\right)S(−2ab​​c−4ab2​) aus der Normalform her und vergleichen Sie diese Herleitung mit der Anwendung der pq-Formel.

Aktive Wiederholung

Bestimmen Sie den Scheitelpunkt von g(x)=−2x2+12x−13g(x)=-2x^{2}+12x-13g(x)=−2x2+12x−13 und beurteilen Sie, ob es sich um ein globales Maximum oder Minimum handelt.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 03

Ganzrationale Funktionen höheren Grades#

●●○StandardLPL4

Kernpunkte

Polynome vom Grad nnn haben höchstens nnn reelle Nullstellen und höchstens n−1n-1n−1 Extremstellen.
Verhalten für x→±∞x\to\pm\inftyx→±∞ ist durch Leitkoeffizient und Grad bestimmt: gerade Grade verhalten sich auf beiden Seiten gleich, ungerade Grade entgegengesetzt.
Symmetrieanalyse über Term: nur gerade Exponenten ⇒ Achsensymmetrie zur y-Achse; nur ungerade Exponenten und Absolutglied a0=0a_{0}=0a0​=0 ⇒ Punktsymmetrie zum Ursprung.
Nullstellen können über Faktorzerlegung, Polynomdivision oder numerische Verfahren (Newton-Iteration) ermittelt werden.
Vielfachheit einer Nullstelle entscheidet über Berührung oder Durchgang des Graphen mit der x-Achse.
Steckbriefaufgaben verlangen Aufstellen des Polynoms aus Bedingungen wie Punkten, Steigungen oder Extremstellen mittels LGS.
f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0f(x) = a_{n}x^{n} + a_{n-1}x^{n-1} + \dots + a_{1}x + a_{0}f(x)=an​xn+an−1​xn−1+⋯+a1​x+a0​

Ganzrationale Funktion (Polynom) vom Grad n

Polynom dritten Grades f(x) = x³ − 3x

Abb. 1Punktsymmetrisch zum Ursprung; Extremstellen bei \pm 1; Wendepunkt im Ursprung.
Musterlösung

Steckbriefaufgabe — Funktionsgleichung aus Bedingungen

Bestimmen Sie eine ganzrationale Funktion dritten Grades f(x)=ax3+bx2+cx+df(x)=ax^{3}+bx^{2}+cx+df(x)=ax3+bx2+cx+d, deren Graph durch (0∣1)(0\mid 1)(0∣1) verläuft, dort eine waagrechte Tangente besitzt, bei x=1x=1x=1 einen Wendepunkt hat und durch (1∣3)(1\mid 3)(1∣3) geht.

  1. 01Schritt 1 — Ableitungen aufstellen

    f′(x)=3ax2+2bx+cf'(x)=3ax^{2}+2bx+cf′(x)=3ax2+2bx+c und f′′(x)=6ax+2bf''(x)=6ax+2bf′′(x)=6ax+2b bereitstellen, um die Bedingungen zu übersetzen.

  2. 02Schritt 2 — Bedingungen in Gleichungen übersetzen

    f(0)=1⇒d=1f(0)=1\Rightarrow d=1f(0)=1⇒d=1; f′(0)=0⇒c=0f'(0)=0\Rightarrow c=0f′(0)=0⇒c=0; f′′(1)=0⇒6a+2b=0f''(1)=0\Rightarrow 6a+2b=0f′′(1)=0⇒6a+2b=0; f(1)=3⇒a+b+c+d=3f(1)=3\Rightarrow a+b+c+d=3f(1)=3⇒a+b+c+d=3.

  3. 03Schritt 3 — LGS lösen

    Aus 6a+2b=06a+2b=06a+2b=0 folgt b=−3ab=-3ab=−3a. Einsetzen in a+b+0+1=3a+b+0+1=3a+b+0+1=3 gibt a−3a=2a-3a=2a−3a=2, also a=−1a=-1a=−1 und b=3b=3b=3.

    {d=1c=06a+2b=0a+b+c+d=3  ⇒  a=−1, b=3, c=0, d=1\begin{cases} d=1 \\ c=0 \\ 6a+2b=0 \\ a+b+c+d=3 \end{cases}\;\Rightarrow\; a=-1,\,b=3,\,c=0,\,d=1⎩⎨⎧​d=1c=06a+2b=0a+b+c+d=3​⇒a=−1,b=3,c=0,d=1
  4. 04Schritt 4 — Probe

    f(x)=−x3+3x2+1f(x)=-x^{3}+3x^{2}+1f(x)=−x3+3x2+1: f(0)=1f(0)=1f(0)=1 ✓, f′(0)=0f'(0)=0f′(0)=0 ✓, f′′(1)=−6+6=0f''(1)=-6+6=0f′′(1)=−6+6=0 ✓, f(1)=−1+3+1=3f(1)=-1+3+1=3f(1)=−1+3+1=3 ✓.

Ergebnis: Gesuchte Funktion: f(x)=−x3+3x2+1f(x)=-x^{3}+3x^{2}+1f(x)=−x3+3x2+1.

Abiturfokus

  • KMK-Operator „untersuchen": vollständige Symmetrie-, Grenz- und Nullstellenanalyse.
  • KMK-Operator „bestimmen": Funktionsgleichung aus Steckbriefdaten mit nachvollziehbarem LGS.
  • Vielfachheit der Nullstelle benennen und ihre geometrische Konsequenz erläutern.
  • Bei Polynomdivision Probe oder alternativer Lösungsweg (Vieta, raten) sichert Punktwert.

Typische Fehler

  • Symmetriebedingung nur an einigen Werten geprüft statt am Term — Fehlinterpretation.
  • Polynomdivision wird ohne Wissen einer Nullstelle versucht, statt zu raten oder zu faktorisieren.
  • Beim Steckbrief wird eine Bedingung doppelt verwendet oder eine Variable übersehen.
  • Verhalten im Unendlichen wird nur an einer Seite untersucht.

LK-Vertiefung

eA: Untersuchen Sie die Funktionenschar ft(x)=x3−txf_{t}(x)=x^{3}-txft​(x)=x3−tx in Abhängigkeit vom Parameter t∈Rt\in\mathbb{R}t∈R: Nullstellen, Extrema, Wendepunkt; beschreiben Sie die Ortskurve der Extremstellen.

Aktive Wiederholung

Bestimmen Sie eine ganzrationale Funktion dritten Grades, deren Graph durch den Ursprung verläuft, an der Stelle x=2x=2x=2 eine Tangentensteigung von 0 besitzt und im Punkt (1∣1)(1\mid 1)(1∣1) ein Extremum hat.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 04

Gebrochenrationale Funktionen#

●●○StandardLPL4

Kernpunkte

Gebrochenrationale Funktionen f(x)=P(x)Q(x)f(x)=\dfrac{P(x)}{Q(x)}f(x)=Q(x)P(x)​ mit Polynomen PPP, QQQ haben Definitionslücken an den Nullstellen von QQQ.
Definitionslücken sind entweder Polstellen mit Vorzeichenwechsel oder hebbare Singularitäten — Faktorzerlegung entscheidet.
Asymptoten: Senkrechte Asymptoten an Polstellen; waagrechte oder schiefe Asymptote durch Vergleich der Polynomgrade von PPP und QQQ.
Verhalten an Polstellen: einseitige Grenzwerte lim⁡x→x0±\lim_{x\to x_{0}^{\pm}}limx→x0±​​ untersuchen.
Bei deg⁡P=deg⁡Q\deg P = \deg QdegP=degQ ergibt sich eine waagrechte Asymptote y=anbny = \tfrac{a_{n}}{b_{n}}y=bn​an​​ (Quotient der Leitkoeffizienten).
Hebbare Definitionslücke bei gemeinsamer Nullstelle in Zähler und Nenner — beim Zeichnen Kreis statt Polstrich.
f(x)=P(x)Q(x),Df={x∈R∣Q(x)≠0}f(x) = \dfrac{P(x)}{Q(x)},\quad D_{f} = \{x\in\mathbb{R}\mid Q(x)\neq 0\}f(x)=Q(x)P(x)​,Df​={x∈R∣Q(x)=0}

Definitionsbereich einer gebrochenrationalen Funktion

Musterlösung

Kurvendiskussion einer gebrochenrationalen Funktion

Untersuchen Sie f(x)=x2−1xf(x)=\dfrac{x^{2}-1}{x}f(x)=xx2−1​ auf Definitionsbereich, Symmetrie, Nullstellen, Polstellen und Asymptoten.

  1. 01Schritt 1 — Definitionsbereich

    Nenner x=0x=0x=0 ist ausgeschlossen: Df=R∖{0}D_{f}=\mathbb{R}\setminus\{0\}Df​=R∖{0}.

  2. 02Schritt 2 — Symmetrie

    f(−x)=x2−1−x=−x2−1x=−f(x)f(-x)=\dfrac{x^{2}-1}{-x}=-\dfrac{x^{2}-1}{x}=-f(x)f(−x)=−xx2−1​=−xx2−1​=−f(x) — Punktsymmetrie zum Ursprung.

  3. 03Schritt 3 — Nullstellen

    Zähler null: x2−1=0⇒x=±1x^{2}-1=0\Rightarrow x=\pm 1x2−1=0⇒x=±1 (beide im Definitionsbereich).

  4. 04Schritt 4 — Polstelle

    Bei x=0x=0x=0 ist der Zähler −1≠0-1\neq 0−1=0, also echte Polstelle. Einseitige Grenzwerte: lim⁡x→0+f(x)=−∞\lim_{x\to 0^{+}}f(x)=-\inftylimx→0+​f(x)=−∞, lim⁡x→0−f(x)=+∞\lim_{x\to 0^{-}}f(x)=+\inftylimx→0−​f(x)=+∞ — Polstelle mit Vorzeichenwechsel.

  5. 05Schritt 5 — Asymptote

    Polynomdivision: x2−1x=x−1x\dfrac{x^{2}-1}{x}=x-\dfrac{1}{x}xx2−1​=x−x1​. Da −1x→0-\tfrac{1}{x}\to 0−x1​→0 für x→±∞x\to\pm\inftyx→±∞, ist y=xy=xy=x schiefe Asymptote.

    f(x)=x−1x  ⇒  schiefe Asymptote y=xf(x)=x-\dfrac{1}{x}\;\Rightarrow\; \text{schiefe Asymptote } y=xf(x)=x−x1​⇒schiefe Asymptote y=x

Ergebnis: Df=R∖{0}D_{f}=\mathbb{R}\setminus\{0\}Df​=R∖{0}; punktsymmetrisch; Nullstellen x=±1x=\pm 1x=±1; Polstelle x=0x=0x=0 mit Vorzeichenwechsel; schiefe Asymptote y=xy=xy=x.

Abiturfokus

  • KMK-Operator „untersuchen": Verhalten an Definitionsrändern und im Unendlichen explizit.
  • Hebbare Lücke vs. Polstelle klar unterscheiden — entscheidet über Graphenform.
  • Asymptoten als Gleichungen y=…y=\dotsy=… bzw. x=…x=\dotsx=… angeben.
  • Vorzeichendiagramm hilft, einseitige Grenzwerte sauber zu bestimmen.

Typische Fehler

  • Hebbare Lücke wird als Polstelle behandelt.
  • Schiefe Asymptote wird nicht durch Polynomdivision bestimmt, sondern „geraten".
  • Vorzeichen an Polstelle wird nicht geprüft — Sprung statt Pol wird suggeriert.
  • Bei deg⁡P>deg⁡Q+1\deg P > \deg Q + 1degP>degQ+1 wird die Asymptote als waagrecht angenommen.

LK-Vertiefung

eA: Bestimmen Sie die schiefe Asymptote von f(x)=2x3−x+1x2+2f(x)=\dfrac{2x^{3}-x+1}{x^{2}+2}f(x)=x2+22x3−x+1​ mittels Polynomdivision und untersuchen Sie das Annäherungsverhalten für x→±∞x\to\pm\inftyx→±∞.

Aktive Wiederholung

Untersuchen Sie die Funktion f(x)=x2−4x−1f(x)=\dfrac{x^{2}-4}{x-1}f(x)=x−1x2−4​ auf Definitionsbereich, Pol- und Lückenverhalten sowie Asymptoten und skizzieren Sie den Graphen.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 05

Exponential- und Logarithmusfunktionen#

●●○StandardLPL4

Exponentialfunktion und natürlicher Logarithmus

Exponentialfunktion und natürlicher LogarithmusSchaubild von f(x) = e^x, y-Achsenabschnitt bei y = 1, steigend, im Bereich x von -3 bis 4, Schaubild von g(x) = ln x, Nullstellen bei x = 1, steigend, im Bereich x von 0.04 bis 4, senkrechte Asymptote bei x = 0−3−2−11234−3−2−11234y = 0x = 0f(x) = exg(x) = ln xyx
Abb. 2f(x) = eˣ wächst streng monoton; g(x) = ln(x) ist die Umkehrung mit Definitionsbereich (0, ∞).

Kernpunkte

Allgemeine Exponentialfunktion f(x)=c⋅axf(x)=c\cdot a^{x}f(x)=c⋅ax mit a>0a>0a>0, a≠1a\neq 1a=1; in natürlicher Basis f(x)=c⋅ekxf(x)=c\cdot \mathrm{e}^{kx}f(x)=c⋅ekx mit k=ln⁡ak=\ln ak=lna.
Wachstum für a>1a>1a>1 bzw. k>0k>0k>0; Zerfall für 0<a<10<a<10<a<1 bzw. k<0k<0k<0.
Definitionsbereich R\mathbb{R}R, Wertebereich (0,∞)(0, \infty)(0,∞); waagrechte Asymptote y=0y=0y=0.
Umkehrfunktion der Exponentialfunktion ist die Logarithmusfunktion mit Definitionsbereich (0,∞)(0,\infty)(0,∞).
Modelle: Bakterienwachstum, radioaktiver Zerfall, Verzinsung, Abkühlung (Newton), Sättigungsmodelle (a−be−kta-b\mathrm{e}^{-kt}a−be−kt).
Ableitung der natürlichen Exponentialfunktion ist sie selbst: (ex)′=ex(\mathrm{e}^{x})' = \mathrm{e}^{x}(ex)′=ex — fundamentale Eigenschaft der e-Funktion.
f(x)=c⋅ax=c⋅ekx,k=ln⁡af(x) = c\cdot a^{x} = c\cdot \mathrm{e}^{kx},\quad k = \ln af(x)=c⋅ax=c⋅ekx,k=lna

Exponentialfunktion und Umrechnung in Basis e

ax=ex ln⁡aa^{x} = \mathrm{e}^{x\,\ln a}ax=exlna

Umrechnung in natürliche Basis

Exponentielles Wachstum f(t) = 100 · 1,08ᵗ

Abb. 3Anfangswert 100, Wachstumsfaktor 1,08 (8 % pro Periode); Verdopplungszeit ca. 9 Perioden.
Musterlösung

Exponentielles Wachstumsmodell anpassen

Eine Bakterienkultur enthält zu Beginn 1000 Zellen und verdoppelt sich alle 4 Stunden. Stellen Sie ein Wachstumsmodell N(t)N(t)N(t) auf, bestimmen Sie die Wachstumsrate kkk und berechnen Sie N(10)N(10)N(10).

  1. 01Schritt 1 — Modellansatz

    Stetiges Wachstum: N(t)=1000⋅ektN(t) = 1000\cdot \mathrm{e}^{kt}N(t)=1000⋅ekt.

  2. 02Schritt 2 — Verdopplungsbedingung

    N(4)=2000N(4)=2000N(4)=2000 liefert e4k=2\mathrm{e}^{4k}=2e4k=2, also k=ln⁡24≈0,1733k=\tfrac{\ln 2}{4}\approx 0{,}1733k=4ln2​≈0,1733.

    k=ln⁡24≈0,1733k = \tfrac{\ln 2}{4} \approx 0{,}1733k=4ln2​≈0,1733
  3. 03Schritt 3 — Auswertung bei t = 10

    N(10)=1000⋅e0,1733⋅10=1000⋅e1,733≈1000⋅5,657≈5657N(10) = 1000\cdot \mathrm{e}^{0{,}1733\cdot 10} = 1000\cdot \mathrm{e}^{1{,}733}\approx 1000\cdot 5{,}657 \approx 5657N(10)=1000⋅e0,1733⋅10=1000⋅e1,733≈1000⋅5,657≈5657.

  4. 04Schritt 4 — Interpretieren

    Nach 10 Stunden liegen rund 5650 Zellen vor; das Modell setzt unbeschränkte Ressourcen voraus, was biologisch nur kurzzeitig gilt.

Ergebnis: Modell N(t)=1000⋅e(ln⁡2/4)⋅tN(t)=1000\cdot \mathrm{e}^{(\ln 2/4)\cdot t}N(t)=1000⋅e(ln2/4)⋅t; N(10)≈5657N(10)\approx 5657N(10)≈5657 Zellen.

Abiturfokus

  • KMK-Operator „modellieren": Parameter ccc (Startwert) und kkk (Rate) aus Bedingungen bestimmen.
  • Umrechnung zwischen Basisformen ax↔ekxa^{x}\leftrightarrow \mathrm{e}^{kx}ax↔ekx sicher beherrschen.
  • Definitionsbereich von ln⁡\lnln-Termen prüfen — beurteilungsrelevant.
  • Modellkritik: Grenzen exponentieller Modelle (Sättigung, Ressourcen).

Typische Fehler

  • Wachstumsrate kkk und Wachstumsfaktor aaa verwechselt — a=eka=\mathrm{e}^{k}a=ek, nicht a=ka=ka=k.
  • ln⁡0\ln 0ln0 wird ohne Kommentar verwendet.
  • Logarithmusfunktion wird mit Definitionsbereich R\mathbb{R}R behandelt.
  • Bei Modellanpassung wird ein Zeitpunkt-Bedingung statt eine Rate-Bedingung verwendet.

LK-Vertiefung

eA: Untersuchen Sie das Sättigungsmodell f(t)=K(1−e−kt)f(t)=K(1 - \mathrm{e}^{-kt})f(t)=K(1−e−kt) für K=100K=100K=100, k=0,2k=0{,}2k=0,2: Bestimmen Sie Grenzwert und Tangente an der Stelle t=0t=0t=0 und begründen Sie, dass die Funktion keinen Wendepunkt besitzt (streng konkav); interpretieren Sie die Bedeutung jedes Parameters.

Aktive Wiederholung

Modellieren Sie den radioaktiven Zerfall einer Probe, die nach 8 Tagen noch 70 % der Ausgangsmasse besitzt, mit N(t)=N0⋅e−λtN(t) = N_{0}\cdot \mathrm{e}^{-\lambda t}N(t)=N0​⋅e−λt. Bestimmen Sie λ\lambdaλ und die Halbwertszeit.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 06

Trigonometrische Funktionen#

●●○StandardLPL4

Einheitskreis — Sinus, Kosinus, Tangens

x y P(cos φ | sin φ) φ cos φ sin φ sin²φ + cos²φ = 1
Abb. 4Punkt P(cos⁡φ∣sin⁡φ)P(\cos\varphi \mid \sin\varphi)P(cosφ∣sinφ) auf dem Einheitskreis; φ\varphiφ im Bogenmaß.

Kernpunkte

Die Funktionen sin⁡\sinsin und cos⁡\coscos sind 2π-periodisch und beschränkt auf [−1,1][-1, 1][−1,1]; tan⁡\tantan hat Periode π und Polstellen bei π2+kπ\tfrac{\pi}{2}+k\pi2π​+kπ.
Allgemeine Sinusfunktion f(x)=asin⁡(b(x−c))+df(x)=a\sin(b(x-c))+df(x)=asin(b(x−c))+d: Amplitude ∣a∣|a|∣a∣, Periode 2π∣b∣\tfrac{2\pi}{|b|}∣b∣2π​, Phasenverschiebung ccc, Mittellage ddd.
Bogenmaß ist die natürliche Einheit für Winkel in Analysis; Umrechnung xrad=xdeg⋅π180x_{\text{rad}} = x_{\text{deg}}\cdot \tfrac{\pi}{180}xrad​=xdeg​⋅180π​.
Symmetrieeigenschaften: sin⁡\sinsin punktsymmetrisch zum Ursprung, cos⁡\coscos achsensymmetrisch zur y-Achse.
Wichtige Identitäten: sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^{2}x + \cos^{2}x = 1sin2x+cos2x=1, Additionstheoreme, Doppelwinkelformeln.
Modelle: Tidenkurven, Tageslichtdauer, Wechselstrom, harmonische Schwingungen.
f(x)=a⋅sin⁡(b(x−c))+df(x) = a\cdot \sin(b(x - c)) + df(x)=a⋅sin(b(x−c))+d

Allgemeine Sinusfunktion mit Amplitude a, Periode 2π/b, Phase c, Mittellage d

sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^{2}x + \cos^{2}x = 1sin2x+cos2x=1

Pythagoreische Identität

Musterlösung

Periodische Funktion an Datenpunkte anpassen

Die Wassertiefe an einer Küste schwankt zwischen 2 m (Niedrigwasser) und 6 m (Hochwasser) mit Periode 12 Stunden. Bestimmen Sie eine Funktion h(t)=asin⁡(b t)+dh(t)=a\sin(b\,t)+dh(t)=asin(bt)+d.

  1. 01Schritt 1 — Mittellage und Amplitude

    d=2+62=4d = \tfrac{2+6}{2}=4d=22+6​=4, a=6−22=2a=\tfrac{6-2}{2}=2a=26−2​=2.

  2. 02Schritt 2 — Periode

    Aus T=12T=12T=12 folgt b=2π12=π6b=\tfrac{2\pi}{12}=\tfrac{\pi}{6}b=122π​=6π​.

  3. 03Schritt 3 — Funktion notieren

    h(t)=2sin⁡ ⁣(π6t)+4h(t)=2\sin\!\left(\tfrac{\pi}{6}t\right)+4h(t)=2sin(6π​t)+4 liefert bei t=0t=0t=0 den Wert 4 (Mittellage).

    h(t)=2sin⁡ ⁣(π6 t)+4h(t) = 2\sin\!\left(\tfrac{\pi}{6}\,t\right) + 4h(t)=2sin(6π​t)+4

Ergebnis: Modellfunktion h(t)=2sin⁡(π6t)+4h(t) = 2\sin(\tfrac{\pi}{6}t)+4h(t)=2sin(6π​t)+4 (in Metern, t in Stunden).

Abiturfokus

  • KMK-Operator „modellieren": Sinusparameter aus Daten ableiten (Mittellage, Amplitude, Periode, Phase).
  • KMK-Operator „bestimmen": Periode und Amplitude exakt nennen.
  • Bogenmaß durchgehend verwenden — Gradmaß führt in Analysis zu falschen Ableitungen.
  • Bei Modellieren das Vorzeichen der Phasenverschiebung beachten (Cosinus vs. Sinus-Start).

Typische Fehler

  • Grad- und Bogenmaß werden gemischt.
  • Phasenverschiebung wird mit Periode verwechselt.
  • Identität sin⁡(2x)=2sin⁡x\sin(2x)=2\sin xsin(2x)=2sinx statt sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x \cos xsin(2x)=2sinxcosx.
  • Beim Modellieren wird Mittellage als „y-Achsenabschnitt" gleichgesetzt — nur korrekt, wenn c=0c=0c=0.

LK-Vertiefung

eA: Beweisen Sie die Identität sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\betasin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ mittels Einheitskreis und leiten Sie daraus die Doppelwinkelformel sin⁡(2α)=2sin⁡αcos⁡α\sin(2\alpha)=2\sin\alpha\cos\alphasin(2α)=2sinαcosα ab.

Aktive Wiederholung

Modellieren Sie die Tageslichtdauer einer mitteleuropäischen Stadt zwischen 8 h (Winter) und 16 h (Sommer) mit der Funktion L(t)=asin⁡(b(t−c))+dL(t)=a\sin(b(t-c))+dL(t)=asin(b(t−c))+d und beurteilen Sie die Modellgüte.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

§ 07

Symmetrien und Transformationen#

●●○StandardLPL4

Kernpunkte

Verschiebung um ccc in x-Richtung: f(x−c)f(x-c)f(x−c); in y-Richtung: f(x)+df(x)+df(x)+d.
Streckung um Faktor kkk in y-Richtung: k⋅f(x)k\cdot f(x)k⋅f(x); in x-Richtung: f ⁣(xk)f\!\left(\tfrac{x}{k}\right)f(kx​).
Spiegelung an der x-Achse: −f(x)-f(x)−f(x); an der y-Achse: f(−x)f(-x)f(−x).
Symmetriebedingungen: f(−x)=f(x)f(-x)=f(x)f(−x)=f(x) (Achsensymmetrie zur y-Achse), f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x)f(−x)=−f(x) (Punktsymmetrie zum Ursprung).
Allgemeine Punktsymmetrie zum Punkt (p,q)(p, q)(p,q): f(p+h)+f(p−h)=2qf(p+h)+f(p-h) = 2qf(p+h)+f(p−h)=2q für alle hhh.
Periodizität: f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x) für alle xxx, kleinste positive Periode heißt Grundperiode.
f(−x)=f(x)  (Achsensymmetrie),f(−x)=−f(x)  (Punktsymmetrie zum Ursprung)f(-x) = f(x)\;\text{(Achsensymmetrie),}\quad f(-x) = -f(x)\;\text{(Punktsymmetrie zum Ursprung)}f(−x)=f(x)(Achsensymmetrie),f(−x)=−f(x)(Punktsymmetrie zum Ursprung)

Symmetriekriterien für Funktionsgraphen

Abiturfokus

  • KMK-Operator „beschreiben": Transformationen in Reihenfolge und Wirkung benennen.
  • KMK-Operator „begründen": Symmetrie über Termuntersuchung, nicht nur graphisch.
  • Reihenfolge der Transformationen beachten — Verschiebung vor Spiegelung ergibt anderes Resultat als umgekehrt.
  • Sinusfunktion mit Verschiebung: sin⁡(x−π2)=−cos⁡x\sin(x-\tfrac{\pi}{2})=-\cos xsin(x−2π​)=−cosx wegen Phasenverschiebung.

Typische Fehler

  • Verschiebung um ccc wird als f(x)+cf(x)+cf(x)+c statt f(x−c)f(x-c)f(x−c) in x-Richtung interpretiert.
  • Spiegelung an x- und y-Achse vertauscht.
  • Symmetrie wird durch Beispielwert „bewiesen" statt durch Termanalyse.
  • Punktsymmetrie zum Ursprung wird mit Achsensymmetrie verwechselt.

LK-Vertiefung

eA: Untersuchen Sie, ob die Funktion h(x)=sin⁡(x)⋅e−x2h(x)=\sin(x)\cdot \mathrm{e}^{-x^{2}}h(x)=sin(x)⋅e−x2 Symmetrieeigenschaften besitzt; beweisen Sie Ihr Ergebnis.

Aktive Wiederholung

Beschreiben Sie die Transformation, die den Graphen von f(x)=x2f(x)=x^{2}f(x)=x2 in den Graphen von g(x)=−2(x−3)2+5g(x)=-2(x-3)^{2}+5g(x)=−2(x−3)2+5 überführt, und benennen Sie die Reihenfolge der Einzelschritte.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Inhalt

Abschnitt -- / 07

    • 01Funktionsbegriff, Definitions- und Wertebereich○
    • 02Quadratische Funktionen und Scheitelpunktform○
    • 03Ganzrationale Funktionen höheren Grades◐
    • 04Gebrochenrationale Funktionen◐
    • 05Exponential- und Logarithmusfunktionen◐
    • 06Trigonometrische Funktionen◐
    • 07Symmetrien und Transformationen◐

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