Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben endet die Rechnung bei einer Gleichung der Form \(f(x)=0\). Entscheidend ist die Wahl des Verfahrens — und die Frage, welche der gefundenen Lösungen im Sachzusammenhang überhaupt zulässig ist. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Das Tidebecken
AFB IIn einem Hafenbecken wird die Abweichung \(w\) des Wasserstands vom Mittelwasser (in Dezimetern) über zwölf Stunden beobachtet:
Dabei ist \(t\) die Zeit in Stunden nach Beobachtungsbeginn (Material M1).
Genau dort, wo der Graph die \(t\)-Achse trifft, steht das Wasser exakt auf Mittelwasser.
- Bestimme alle Nullstellen von \(w\) durch Ausklammern.
- Gib an, zu welchen Zeitpunkten das Wasser genau auf Mittelwasser steht.
- Bestimme die Zeiträume, in denen das Wasser über bzw. unter Mittelwasser steht.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(w(t)=0{,}1t\,(t^{2}-18t+80)=0{,}1t\,(t-8)(t-10)\). Nullstellen: \(t_1=0\), \(t_2=8\) und \(t_3=10\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Alle drei Werte liegen in \([0;12]\). Das Wasser steht zu Beobachtungsbeginn sowie nach 8 und nach 10 Stunden genau auf Mittelwasser.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Probestellen: \(w(4)=6{,}4-28{,}8+32=9{,}6>0\), \(w(9)=72{,}9-145{,}8+72=-0{,}9<0\), \(w(11)=133{,}1-217{,}8+88=3{,}3>0\). Antwortsatz: In den ersten acht Stunden und ab der zehnten Stunde liegt der Wasserstand über Mittelwasser, zwischen der achten und der zehnten Stunde darunter.
Das Wellblech
AFB IIDer Querschnitt eines gewellten Blechs wird über der Breite \(x\) (in Dezimetern) durch
beschrieben; \(f(x)\) ist der Abstand zur Mittellinie in Dezimetern.
- Bestimme alle Nullstellen von \(f\) mithilfe der Substitution \(u=x^{2}\).
- Gib an, wie oft der Querschnitt die Mittellinie schneidet.
- Begründe allein anhand des Funktionsterms, dass der Querschnitt achsensymmetrisch ist.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Substitution \(u=x^{2}\): \(u^{2}-13u+36=0\) liefert \(u_{1,2}=6{,}5\pm\sqrt{42{,}25-36}=6{,}5\pm 2{,}5\), also \(u_1=9\) und \(u_2=4\). Rücksubstitution: \(x=\pm 3\) und \(x=\pm 2\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Alle vier Nullstellen \(-3\), \(-2\), \(2\) und \(3\) liegen im Definitionsbereich \([-4;4]\), und alle sind einfach. Der Querschnitt schneidet die Mittellinie also viermal.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Term treten nur die geraden Potenzen \(x^{4}\), \(x^{2}\) und \(x^{0}\) auf. Daher gilt \(f(-x)=f(x)\) für alle \(x\); der Graph ist achsensymmetrisch zur \(f(x)\)-Achse. Das bestätigen auch die paarweise entgegengesetzten Nullstellen.
Der Roboterarm
AFB IIEin Roboterarm führt eine Prüfbewegung aus. Seine Auslenkung \(u\) aus der Ruhelage (in Millimetern) beträgt
mit der Zeit \(t\) in Sekunden.
- Bestimme die vollständig faktorisierte Form von \(u\).
- Gib alle Nullstellen mit ihrer Vielfachheit an.
- Erkläre im Sachzusammenhang, warum der Arm die Ruhelage bei \(t=2\) nur berührt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(u(t)=t\,(t^{2}-4t+4)=t\,(t-2)^{2}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(t_1=0\) ist eine einfache Nullstelle, \(t_2=2\) eine doppelte Nullstelle.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Wegen \((t-2)^{2}\ge 0\) und \(t>0\) gilt \(u(t)>0\) für alle \(t\in\,]0;3]\) außer \(t=2\). Probe: \(u(1)=1\) und \(u(3)=3\), beide positiv. Die Auslenkung wechselt bei \(t=2\) also nicht das Vorzeichen. Antwortsatz: Der Arm kehrt nach zwei Sekunden kurz in die Ruhelage zurück und schwingt danach wieder auf dieselbe Seite aus — er durchquert die Ruhelage nicht.
Das Start-up
AFB IIIDer Jahresgewinn eines Start-ups wird für die ersten vier Jahre modelliert durch
Dabei ist \(x\) die Zeit in Jahren und \(G(x)\) der Gewinn in \(10\,000\) € (Material M2). Der Buchhalter vermutet, dass das Unternehmen nach genau einem Jahr erstmals die Verlustzone erreicht.
Zwischen den beiden markierten Nullstellen liegt der Graph unterhalb der \(x\)-Achse.
- Weise nach, dass \(x=1\) eine Nullstelle von \(G\) ist.
- Bestimme die übrigen Nullstellen mithilfe einer Polynomdivision.
- Gib die Gewinn- und die Verlustzone innerhalb des Definitionsbereichs an und deute das Ergebnis.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(G(1)=1-2-5+6=0\). Also ist \(x=1\) eine Nullstelle.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\((x^{3}-2x^{2}-5x+6):(x-1)=x^{2}-x-6\). Aus \(x^{2}-x-6=0\) folgt \(x_{1,2}=0{,}5\pm\sqrt{0{,}25+6}=0{,}5\pm 2{,}5\), also \(x=3\) und \(x=-2\). Damit gilt \(G(x)=(x-1)(x-3)(x+2)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Definitionsbereich liegen nur \(x=1\) und \(x=3\). Probestellen: \(G(0)=6>0\), \(G(2)=8-8-10+6=-4<0\), \(G(4)=64-32-20+6=18>0\). Antwortsatz: Im ersten Jahr und ab dem dritten Jahr arbeitet das Start-up mit Gewinn, zwischen dem ersten und dem dritten Jahr mit Verlust. Die Vermutung des Buchhalters trifft zu — allerdings endet die Verlustphase bereits nach dem dritten Jahr wieder.
Wie viele Nullstellen sind möglich?
AFB IIIIn einer Projektgruppe wird über Nullstellen diskutiert. Zwei Aussagen stehen an der Tafel:
Aussage 1: „Eine ganzrationale Funktion vierten Grades hat immer genau vier Nullstellen.“
Aussage 2: „Jede ganzrationale Funktion ungeraden Grades hat mindestens eine Nullstelle.“
- Widerlege Aussage 1 durch ein Gegenbeispiel.
- Untersuche, wie viele Nullstellen \(f_c(x)=x^{4}+c\) in Abhängigkeit von \(c\) besitzt.
- Nimm zu Aussage 2 begründet Stellung.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gegenbeispiel: \(f(x)=x^{4}+1\). Für alle \(x\) gilt \(x^{4}\ge 0\) und damit \(f(x)\ge 1>0\); die Funktion hat keine einzige Nullstelle. Aussage 1 ist damit widerlegt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(x^{4}+c=0 \Leftrightarrow x^{4}=-c\).
Für \(c>0\) ist \(-c<0\); da \(x^{4}\ge 0\) gilt, gibt es keine Nullstelle. Für \(c=0\) gilt \(x^{4}=0\), also genau eine (vierfache) Nullstelle \(x=0\). Für \(c<0\) gilt \(x=\pm\sqrt[4]{-c}\), also genau zwei Nullstellen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Aussage 2 ist richtig. Bei ungeradem Grad laufen die beiden Enden des Graphen in entgegengesetzte Richtungen: Der Graph nimmt also sowohl beliebig große positive als auch beliebig große negative Werte an. Da ganzrationale Funktionen ohne Sprung verlaufen, muss der Graph die \(x\)-Achse dazwischen mindestens einmal treffen. Antwortsatz: Jede ganzrationale Funktion ungeraden Grades besitzt mindestens eine Nullstelle — bei geradem Grad kann dagegen jede fehlen.
