Schar von g


\(\\\)

Aufgabe 1 Element der Schar

Schreiben wir die Funktionsgleichungen

\( \quad \begin{array}{ c c r } f(x) & = & -288 \cdot (x - 9) \cdot e^{-0{,}1 \cdot (x - 9)^2 - 6} \\[5pt] g_k(x) & = & -8 \cdot k^2 \cdot (x - 9) \cdot e^{-0{,}1 \cdot (x - 9)^2 - k} \\ \end{array} \)

\(\\\)

untereinander, so fällt auf, dass sie sich nur an zwei Stellen unterscheiden. Setzen wir für \(k=6\) ein, so erhalten wir

\( \quad \begin{array}{ r c l } g_6(x) & = & -8 \cdot 6^2 \cdot (x - 9) \cdot e^{-0{,}1 \cdot (x - 9)^2 - 6} \\[6pt] & = & -288 \cdot (x - 9) \cdot e^{-0{,}1 \cdot (x - 9)^2 - 6} \\[6pt] & = & f(x) \\ \end{array} \)

\(\\\)

Damit ist \(f\) eine Funktion der Schar \(g_k\).

\(\\[2em]\)

Aufgabe 2 Nullstellen der Schar

Wir definieren

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\(\\\)

und berechnen die Nullstellen.

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\(\\\)

Es existiert nur eine Nullstelle bei \(x=9\).

\(\\[2em]\)

Aufgabe 3 Hochpunkt des Graphen

Deichhöhe von 11 Metern

Wir definieren eine Funktion \(h\) für die verschiedenen Höhen des Hochpunktes.

Wichtig dabei ist, die Taste \(\boxed{e^x}\) und nicht den Buchstaben \(\boxed{e}\) zu verwenden.
Für \(e\) schreiben wir \(e^1\)

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\(\\\)

Wir setzen die Funktionsvorschrift \(h(k)\) mit \(11\) Metern gleich.

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\(\\\)

Nach der Vorgabe \(5 \leq k \leq 7\) ist nur \(5{,}806967191\) eine zulässige Lösung.

\(\\[2em]\)

maximale Deichhöhe

notwendige Bedingung

\( \quad h'(k)=0 \)

\(\\\)

Wir lösen die Gleichung mit

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\(\\\)

Mit der

\(\\[1em]\)

hinreichenden Bedingung

\( \quad h''(k) \not= 0 \)

\(\\\)

bestimmen wir das Maximum.

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\(\\\)

Mit \(h''(0)>0\) und \(h''(2)<0\) erhalten wir ein Minimum bei \(k=0\) und ein Maximum bei \(k=2\).

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\(\\\)

Da rechts vom Maximum die Höhe stetig abfällt ist im Intervall \(5 \leq k \leq 7\) bei \(k=5\) der Deich am höchsten.

\(\\[2em]\)

Aufgabe 4 Wendepunkt

notwendige Bedingung

\( \quad g_k''(x)=0 \)

\(\\\)

Wir lösen die Gleichung mit

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\(\\\)

Die einzige Lösung, die für

\( \quad x \in \left[0 ; 9 - \sqrt{5} \right] \)

\(\\\)

infrage kommt, ist \(x = 5{,}127016654\).

\(\\[2em]\)

hinreichenden Bedingung

\( \quad g_k'''(x) \not= 0 \)

\(\\\)

Wir überprüfen den \(x\)-Wert.

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\(\\\)

Mit \(e=2{,}718281828\) erhalten wir

\( \quad -\frac{2{,}142049538 \cdot k^2}{2{,}718281828^k} \; = \; -\frac{2{,}142049538 \cdot k^2}{e^k} \; = \; - 2{,}142049538 \cdot \frac{ k^2}{e^k} \)

\(\\\)

\(g'''(5{,}127016654) \not= 0\). Damit existiert die Wendestelle.

\(\\[2em]\)

Funktionswert

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\(\\\)

Mit \(e=2{,}718281828\) befindet sich der Wendepunkt bei

\( \quad W \left( 5{,}12702 \; \Bigl| \; 6{,}913435155 \cdot \frac{k^2}{e^k} \right) \)

\(\\[2em]\)

Aufgabe 5 maximaler Steigungswinkel

Die maximale Steigung ist seeseitig, also zwischen dem Tiefpunkt und dem Hochpunkt, im Wendepunkt. Das ist nach der Kontrolllösung bei \(x=9 - \sqrt{15}\).

Die Steigung wird berechnet mit der 1. Ableitung von \(g_k\) bei \(x=9 - \sqrt{15}\) und ist

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Für den Steigungswinkel gilt

\( \quad g_k'(x) \; = \; tan(\alpha) \)

\(\\\)

Wir berechnen das gesuchte \(k\) (Grad muss auf 360° eingestellt sein) mit

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\(\\\)

Für \(5 \leq k \leq 7\) ist \(k = 5{,}798454872 \approx 5{,}8\) die einzige Lösung.

\(\\\)