Lösung b): Unterschied zwischen den Versionen

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Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der H-Methode. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt.
 
Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der H-Methode. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt.
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Man zerlegt die 2. Ableitung in seine einzelnen Faktoren und betrachtet das Verhalten vor dem möglichen Wendepunkt und nach dem möglichen Wendepunkt. Man notiert sich nun, ob es einen Vorzeichenwechsel bei einem der Faktoren gibt und schlussfolgert aus den einzelnen Vorzeichenwechsel den Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung
  
 
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Version vom 24. Januar 2010, 13:47 Uhr

y = f_{a}(t) = \frac{2\cdot e^{at}}{e^{at}+29}, t\in R, a\in R, a>0

f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}}

Inhaltsverzeichnis

Untersuchen sie die Funktionen fa auf Nullstellen und lokale Extremstellen

Suche nach Nullstellen:

f_{a}(t) = \frac{2\cdot e^{at}}{e^{at}+29} = 0 \Rightarrow 2\cdot e^{at} = 0 \Rightarrow e^{at} = 0 (f)

\Rightarrow keine Nullstellen, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck e^{at}\; ebenfalls nie 0 werden kann

Suche nach Extremstellen:

f'_{a} (t) = \frac{58\cdot a\cdot e^{at} }{(e^{at}+29) ^{2}} = 0 \Rightarrow 58\cdot a \cdot e^{at} = 0 \Rightarrow e^{at} = 0 (f)

\Rightarrow keine Extremstellen, da die e-Funktion nie 0 wird und somit der Ausdruck e^{at}\; ebenfalls nie 0 werden kann

Jeder Graph Ga bestitzt genau einen Wendepunkt Wa. Zeigen sie, dass die Wendepunkte Wa auf einer parallelen zur t-Achse liegen

Die 2. Ableitung:

f''_{a}(t) = \frac{58\cdot a \cdot e^{at}\cdot a\cdot(e^{at}+29)^{2} - 2 \cdot(e^{at} + 29)\cdot e^{at}\cdot a \cdot 58 \cdot a \cdot e^{at} }{(e^{at} + 29) ^{4} } =

= \frac{58\cdot a^{2} \cdot e^{at}\cdot (e^{at} + 29) - 2\cdot a^{2} \cdot (e^{at})^{2}\cdot 58 }{(e^{at}+29)^{3}} = 58\cdot a^{2}\cdot \frac{(e^{at})^{2} + 29\cdot e^{at} - 2(e^{at})^2}{(e^{at} + 29)^{3}} = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}}

Suche nach dem Wendepunkt:

f''_{a}(t) = 58\cdot a^{2} \cdot \frac {29\cdot e^{at} - e^{2at}}{(e^{at}+29)^{3}} = 0 

58\cdot a^{2} (29\cdot e^{at} - e^{2at}) = 0                              | : 58\cdot a^{2} \Rightarrow (a \neq 0)
       (29\cdot e^{at} - e^{2at}) = 0                              | + e^{2at}\;  
               29 \cdot e^{at} = e^{2at}                            | ln\;
           ln(29\cdot e^{at}) = ln(e^{2at})
      ln(29) + ln(e^{at}) = ln(e^{2at})\;                       | - ln(e^{at})\;
                ln(29) = ln(e^{2at}) - ln(e^{at})\;
                ln(29) = 2\cdot a\cdot t \cdot ln(e) - a\cdot t\cdot ln(e)    (ln(e)=1)
                ln(29) = 2\cdot a\cdot t - a\cdot t
                ln(29) = a\cdot t
                      t = \frac {ln29} {a}

Beweis für Wendepunkt:

1. Möglichkeit: Die H-Methode

Man nähert sich dem möglichen Wendepunkt mit Hilfe eines Grenzwertes an und versucht herauszufinden, ob ein Vorzeichenwechsel am Wendepunkt stattfindet. Falls es einen Vorzeichenwechsel geben sollte, ist dies der eindeutige Beweis für einen Wendepunkt an dieser Stelle.

1. Teil: f''_{a}(\frac {ln29} {a}+h)

f''_{a}(\frac {ln29} {a}+h) = \lim_{h \to 0} 58\cdot a^{2}\cdot \frac {29\cdot e^{a\cdot(\frac {ln29} {a}+h)} - e^{2a\cdot(\frac {ln29} {a}+h)}}{(e^{a\cdot (\frac {ln29} {a}+h)}+29)^{3}} = 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot e^{(\frac {a\cdot ln29} {a} + ah)} - e^{(\frac {2a\cdot ln29} {a} + 2ah)}}{(e^{(\frac {a\cdot ln29} {a} + ah)} + 29)^{3}} =

= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot e^{(ln29 + ah)} - e^{(2\cdot ln29 + 2ah)}}{(e^{(ln29 + ah)} + 29)^{3}}= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot e^{ln29}\cdot e^{ah} - e^{ln(29^{2})}\cdot e^{2ah}}{(e^{ln29}\cdot e^{ah} + 29)^{3}}=
= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot 29\cdot e^{ah} - 29\cdot 29\cdot e^{2ah}}{(ln29\cdot e^{ah} + 29)^{3}}= 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {e^{ah} - e^{2ah}}{(ln29\cdot e^{ah} + 29)^{3}}=
= 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} (\frac {1}{(ln29\cdot e^{ah} + 29)^{3}}) \lim_{h \to 0} (e^{ah} - e^{2ah})


Da die Faktoren 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} (\frac {1}{(ln29\cdot e^{ah} + 29)^{3}}) alle positiv sind, kann ein möglicher Vorzeichenwechsel nur von dem Term \lim_{h \to 0} (e^{ah} - e^{2ah}) abhängig sein. Dieser wird nun im folgenden betrachtet:


\lim_{h \to 0} (e^{ah} - e^{2ah})= \lim_{h \to 0} (e^{ah} - e^{(ah)^{2}}) >0

Der Zähler ist größer 0, da gilt: e^{ah} > e^{(ah)^{2}}; dies liegt daran, dass der Faktor (ah)^{2}\; durch das Quadrat noch kleiner wird und somit der Term noch stärker gegen 0 strebt. Positiv ist der Zähler nun, da e^{ah}\; gegen 1+ geht.

\Rightarrow f''_{a}(\frac {ln29} {a}+h) > 0


2. Teil: f''_{a}(\frac {ln29} {a}-h)

f''_{a}(\frac {ln29} {a}-h) = \lim_{h \to 0} 58\cdot a^{2}\cdot \frac {29\cdot e^{a\cdot(\frac {ln29} {a}-h)} - e^{2a\cdot(\frac {ln29} {a}-h)}}{(e^{a\cdot (\frac {ln29} {a}-h)}+29)^{3}} = 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot e^{(\frac {a\cdot ln29} {a} - ah)} - e^{(\frac {2a\cdot ln29} {a} - 2ah)}}{(e^{(\frac {a\cdot ln29} {a} - ah)} + 29)^{3}} =

= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot e^{(ln29 - ah)} - e^{(2\cdot ln29 - 2ah)}}{(e^{(ln29 - ah)} + 29)^{3}}= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot \frac {e^{ln29}} {e^{ah}} - \frac {e^{ln(29)^{2}}}{e^{2ah}}}{(\frac {e^{ln29}}{e^{ah}} + 29)^{3}}=
= 58\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {29\cdot 29\cdot \frac {1} {e^{ah}} - 29\cdot 29\cdot \frac {1} {e^{2ah}}}{(\frac {ln29} {e^{ah}} + 29)^{3}}= 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} \frac {\frac {1} {e^{ah}} - \frac {1} {e^{2ah}}}{(\frac {ln29} {e^{ah}} + 29)^{3}}=
= 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} (\frac {1}{(\frac {ln29} {e^{ah}} + 29)^{3}}) \lim_{h \to 0} (\frac {1} {e^{ah}} - \frac {1} {e^{2ah}})


Da die Faktoren 58\cdot 29^{2}\cdot a^{2}\lim_{h \to 0} (\frac {1}{(\frac {ln29} {e^{ah}} + 29)^{3}}) alle positiv sind, kann ein möglicher Vorzeichenwechsel nur von dem Term \lim_{h \to 0} (\frac {1} {e^{ah}} - \frac {1} {e^{2ah}}) abhängig sein. Dieser wird nun im folgenden betrachtet:


\lim_{h \to 0} (\frac {1} {e^{ah}} - \frac {1} {e^{2ah}})= \lim_{h \to 0} (\frac {1} {e^{ah}} - \frac {1} {e^{(ah)^{2}}}) <0

Der Zähler ist kleiner 0, da gilt: e^{ah} < e^{(ah)^{2}}; dies liegt daran, dass der Faktor (ah)^{2}\; durch das Quadrat noch kleiner wird und somit der Term noch stärker gegen 0 strebt. Da jedoch nun die Kehrwerte gebildet werden, wird der Term \frac {1} {e^{(ah)^{2}}}\; größer als der Term \frac {1} {e^{(ah)}}\; Negativ ist der Zähler nun, da e^{ah}\; gegen 1- geht.

2. Möglichkeit: 3. Ableitung

Mit Hilfe der 3. Ableitung lässt sich sehr leicht herausfinden, ob an dem möglichen Wendepunkt auch wirklich einer vorhanden ist. Mann muss lediglich die 3. Ableitung an der Stelle des möglichen Wendepunkts bilden und schauen, ob die 3. Ableitung an dieser Stelle ungleich 0 ist. Falls dies der Fall ist, ist dies der eindeutige Beweis für die Existenz eines Wendepunkts.

Die 3. Ableitung:

f'''_{a} (t) = 58\cdot a^{2}\cdot \frac {(29\cdot e^{at}\cdot a - e^{2at}\cdot 2a)\cdot (e^{at} + 29)^{3} - 3\cdot (e^{at} + 29)^{2} \cdot e^{at}\cdot a\cdot (29\cdot e^{at} - e^{2at})} {((e^{at} + 29)^{3})^{2}} =

= 58\cdot a^{2}\cdot \frac {a\cdot(29\cdot e^{at} - 2\cdot e^{2at} )\cdot (e^{at} + 29)^{3} - 3\cdot e^{at}\cdot a\cdot (e^{at} + 29)^{2} \cdot (29\cdot e^{at} - e^{2at})} {(e^{at} + 29)^{2\cdot 3}} =
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {(29\cdot e^{at} - 2\cdot e^{2at} )\cdot (e^{at} + 29)^{3} - 3\cdot e^{at}\cdot (e^{at} + 29)^{2} \cdot (29\cdot e^{at} - e^{2at})} {(e^{at} + 29)^{6}} =
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {(29\cdot e^{at} - 2\cdot e^{2at} )\cdot (e^{at} + 29) - 3\cdot e^{at}\cdot (29\cdot e^{at} - e^{2at})} {(e^{at} + 29)^{4}} =
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29\cdot e^{at}\cdot e^{at} + 29^{2} \cdot e^{at} - 2\cdot e^{2at}\cdot e^{2at} - 2\cdot 29\cdot e^{2at} - 3\cdot 29\cdot e^{at}\cdot e^{at} + 3\cdot e^{at}\cdot e^{2at}} {(e^{at} + 29)^{4}} =
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29\cdot e^{2at} + 29^{2} \cdot e^{at} - 2\cdot e^{4at} - 58\cdot e^{2at} - 87\cdot e^{2at} + 3\cdot e^{3at}} {(e^{at} + 29)^{4}} =
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{2} \cdot e^{at} - 116\cdot e^{2at} + 3\cdot e^{3at} - 2\cdot e^{4at}} {(e^{at} + 29)^{4}}


Möglichen Wendepunkt in die 3. Ableitung einsetzen:

f'''_{a} (\frac {ln29} {a}) = 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{2} \cdot e^{a \frac {ln29} {a}} - 116\cdot e^{2a \frac {ln29} {a}} + 3\cdot e^{3a \frac {ln29} {a}} - 2\cdot e^{4a \frac {ln29} {a}}} {(e^{a\frac {ln29} {a}} + 29)^{4}}=

= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{2} \cdot e^{ln29} - 116\cdot e^{2\cdot ln29} + 3\cdot e^{3\cdot ln29} - 2\cdot e^{4\cdot ln29}} {(e^{ln29} + 29)^{4}}=
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{2} \cdot e^{ln29} - 116\cdot e^{ln(29)^{2}} + 3\cdot e^{ln(29)^{3}} - 2\cdot e^{ln(29)^{4}}} {(e^{ln29} + 29)^{4}}=
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{2} \cdot 29 - 116\cdot 29^{2} + 3\cdot 29^{3} - 2\cdot 29^{4}} {(29 + 29)^{4}}=
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{3} - 29\cdot 4\cdot 29^{2} + 3\cdot 29^{3} - 2\cdot 29^{4}} {(58)^{4}}=
= 58\cdot a^{3}\cdot \frac {29^{3} - 4\cdot 29^{3} + 3\cdot 29^{3} - 2\cdot 29^{4}} {(58)^{4}}=
= 58\cdot 29^{3} \cdot a^{3}\cdot \frac {1 - 4 + 3 - 2} {(58)^{4}}=
= 58\cdot 29^{3} \cdot a^{3}\cdot \frac {- 2} {(58)^{4}} \neq 0

\Rightarrow An der Stelle t = \frac {ln29} {a} ist eindeutig ein Wendepunkt nachgewiesen worden, da die 3. Ableitung an dieser Stelle ungleich 0 ist.

3. Möglichkeit: Vorzeichentabelle

Die Möglichkeit des Nachweises durch die Vorzeichentabelle, ist eine vereinfachte Form der H-Methode. Sie ist deutlich zeitsparender, weshalb sie von mir in Prüfungen empfohlen wird, da somit sehr schnell und fehlerfrei nachgewiesen werden kann, ob es einen Vorzeichenwechsel an der möglichen Stelle gibt.

Man zerlegt die 2. Ableitung in seine einzelnen Faktoren und betrachtet das Verhalten vor dem möglichen Wendepunkt und nach dem möglichen Wendepunkt. Man notiert sich nun, ob es einen Vorzeichenwechsel bei einem der Faktoren gibt und schlussfolgert aus den einzelnen Vorzeichenwechsel den Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung

Vorzeichentabelle Facharbeit2.jpg


Aus der Vorzeichentabelle lässt sich nun ganz leicht erkennen, dass es an der Stelle \frac {ln29}{a} einen Vorzeichenwechsel der 2. Ableitung von + zu - gibt. Somit ist es ein Beweis für einen Wendepunkt.

Begründung, warum alle Wendepunkte auf einer Parallelen zur t-Achse liegen:

Zeichnen sie die Graphen G0,75 und G1 in ein und dasselbe Koordinatensystem und schlussfolgern Sie, welchen Einfluss der Parameter a auf den Verlauf der Graphen Ga hat

Der Graph

Graph-facharbeit1.png

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