Analysis 1

Berechnen Sie denjenigen Wert von \(c\), für den \(\overline{QR} = 1\) gilt.

(3 BE) 

Geben Sie in Abhängigkeit von \(c\) die Seitenlängen des Rechtecks \(PQRS\) an und begründen Sie, dass der Flächeninhalt des Rechtecks durch den Term \(A(c) = 4c \cdot e^{-\frac{1}{8}c^2}\) gegeben ist.

(3 BE) 

Es gibt einen Wert von \(c\), für den der Flächeninhalt \(A(c)\) des Rechtecks \(PQRS\) maximal ist. Berechnen Sie diesen Wert von \(c\).

(4 BE) 

Betrachtet werden für \(k \in \mathbb R\) die in \(]-\infty;0]\) definierten Funktionen \(f_k \colon x \mapsto f(x) + k\). Somit gilt \(f_0(x) = f(x)\), wobei sich \(f_0\) und \(f\) im Definitionsbereich unterscheiden.

Begründen Sie mithilfe der ersten Ableitung von \(\boldsymbol{f_k}\), dass \(f_k\) für jeden Wert von \(k\) umkehrbar ist. Skizzieren Sie in Abbildung 1 den Graphen der Umkehrfunktion von \(f_0\).

(4 BE) 

Geben Sie alle Werte von \(k\) an, für die der Graph von \(f_k\) und der Graph der Umkehrfunktion von \(f_k\) keinen gemeinsamen Punkt haben.

(2 BE) 

Abb. 3

Geben Sie die Breite und Höhe der Vorderseite der Dachgaube an.

(2 BE) 

In der Vorderseite der Dachgaube befindet sich ein Fenster. Dem Fenster entspricht im Modell das Flächenstück, das der Graph der Funktion \(g\) mit \(g(x) = ax^4 + b\) und geeigneten Werten \(a,b \in \mathbb R\) mit der \(x\)-Achse einschließt (vgl. Abbildung 3).

Begründen Sie, dass a negativ und b positiv ist.

(2 BE) 

Um den Flächeninhalt der Vorderseite der Dachgaube zu ermitteln, wird eine Stammfunktion \(F\) von \(f\) betrachtet.

Einer der Graphen I, II und III ist der Graph von \(F\). Begründen Sie, dass dies Graph I ist, indem Sie jeweils einen Grund dafür angeben, dass Graph II und Graph III nicht infrage kommen.

(2 BE) 

Bestimmen Sie nun mithilfe des Graphen von \(\boldsymbol{F}\) aus Aufgabe 2c den Flächeninhalt der gesamten Vorderseite der Dachgaube (einschließlich des Fensters).

Beschreiben Sie unter Einbeziehung dieses Flächeninhalts die wesentlichen Schritte eines Lösungswegs, mit dem der Wert von \(a\) rechnerisch so bestimmt werden könnte, dass bei einer Fensterhöhe von 1,50 m der Teil der Vorderseite der Dachgaube, der in Abbildung 3 schraffiert dargestellt ist, den Flächeninhalt 6 m² hat.

(5 BE) 

Um einen Näherungswert für die Länge der oberen Profillinie der Vorderseite der Dachgaube berechnen zu können, wird \(G_f\) im Bereich \(-4 \leq x \leq 4\) durch vier Kreisbögen angenähert, die nahtlos ineinander übergehen und zueinander kongruent sind. Einer dieser Kreisbögen erstreckt sich im Bereich \(0 \leq x \leq 2\) und ist Teil des Kreises mit Mittelpunkt \(M(0|-1)\) und Radius 3. Berechnen Sie den Mittelpunktswinkel des zu diesem Kreisbogen gehörenden Kreissektors und ermitteln Sie damit den gesuchten Näherungswert.

(5 BE) 

Betrachtet wird die Schar der in \(\mathbb R\) definierten Funktionen \(f_a\) mit \(f_a(x) = x \cdot e^{ax}\) und \(a \in \mathbb R \backslash\{0\}\). Für jeden Wert von \(a\) besitzt die Funktion \(f_a\) genau eine Extremstelle.

Begründen Sie, dass der Graph von \(f_a\) für \(x<0\) unterhalb der \(x\)-Achse verläuft.

(2 BE)

Geben Sie einen Term einer in \(\mathbb R\) definierten Funktion \(g\) an, die den Wertebereich \([-2;4]\) hat.

(2 BE)

Geben Sie einen Term einer in \(\mathbb R\) definierten Funktion \(h\) an, sodass der Term \(\sqrt{h(x)}\) genau für \(x \in [-2;4]\) definiert ist. Erläutern Sie die Ihrer Angabe zugrunde liegenden Überlegungen.

(3 BE)

Ermitteln Sie anhand der Abbildung einen Näherungswert für das Integral \(\displaystyle \int_{-2}^2 f(x)dx\).

(3 BE)

Betrachtet wird die Schar der in \(\mathbb R \backslash \{-3\}\) definierten Funktionen \(f_k \colon x \mapsto \dfrac{x^2-k}{x+3}\) mit \(k \in \mathbb R \backslash \{9\}\). Der Graph von \(f_k\) wird mit \(G_k\) bezeichnet. Die Funktion \(f\) aus Aufgabe 1 ist somit die Funktion \(f_4\) dieser Schar.

Geben Sie die Anzahl der Nullstellen von \(f_k\) in Abhängigkeit von \(k\) an und begründen Sie, dass die Funktion \(f_0\) der Schar eine Nullstelle ohne Vorzeichenwechsel hat.

(4 BE)

Gegeben ist die in \(\mathbb R \backslash \{0\}\) definierte Funktion \(f \colon x \mapsto \dfrac{1}{x^2}+1\).

Geben Sie eine Gleichung der senkrechten und eine Gleichung der waagrechten Asymptote des Graphen von \(f\) an.

(2 BE)

Berechnen Sie den Wert des Integrals \(\displaystyle \int_1^2 f(x)dx\).

(3 BE)

Gegeben ist die in \(\mathbb R\) definierte Funktion \(g \colon x \mapsto x^2-e^x\). Der Graph von \(g\) besitzt genau einen Wendepunkt \(W\). Bestimmen Sie rechnerisch die \(x\)-Koordinate von \(W\) und beurteilen Sie, ob \(W\) oberhalb der \(x\)-Achse liegt.

(5 BE)