Potenzfunktionen - 3. Stufe

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Wir betrachten in diesem Abschnitt die Graphen solcher Funktionen, die einen (positiven) Stammbruch der Form mit als Exponenten haben.

Die Graphen der Funktionen f(x) = x1/n, n IN*

Funktionsgraph kennenlernen

Aufgabe 1

Rechts siehst Du den Graphen der Funktion für .

  1. Beschreibe den Graphen und achte dabei auf
    • Definitionsbereich
    • Monotonie
    • größte und kleinste Funktionswerte
  2. Gibt es Punkte, die allen Graphen dieser Bauart gemeinsam sind? Begründe! Zur Hilfe kannst du auch die Schar der Graphen zeichnen lassen.
    HINWEIS: Rechtsklick auf Graph - "Spur an" auswählen 
GeoGebra
zu 1) Der Definitionsbereich ist IR+0. Der kleinste Funktionswert y0 wird für x0 angenommen; von da aus steigen die blauen Graphen streng monoton über alle Grenzen an.
zu 2) Man findet die Punkte (0;0) und (1;1) unabhängig von n in allen Graphen. Begründung: Es gilt 0r 0 und 1r 1 für alle .

Vergleich mit Funktionen aus Stufe 2

Aufgabe 2

Verleiche den neuen Graphen (blau) mit dem, den Du schon aus Stufe 1 und 2 dieses Kurses kennst (rot strichliert); mit dem Schieberegler kannst Du dazu wieder die Exponenten verändern.

  1. Beschreibe Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Graphen! Achte dabei auf
    • Definitionsbereich
    • Symmetrie
    • Monotonie
    • größte und kleinste Funktionswerte
  2. Gibt es Punkte, die allen Graphen gemeinsam sind? Begründe! Zur Hilfe kannst du auch die Schar der Graphen zeichnen lassen.
    HINWEIS: Rechtsklick auf Graph - "Spur an" auswählen 
GeoGebra
zu 1) Der Definitionsbereich der blauen Graphen ist nicht-negativ. Der kleinste Funktionswert y0 wird für x0 angenommen; von da aus steigen die blauen Graphen steng monoton an.
zu 2) Man findet die Punkte (0;0) und (1;1) in allen blauen Graphen. Begründung: Es gilt stets 1r 1 für alle .

Bezeichungen: Potenzen und Wurzeln

Wir betrachten hier Potenzfunktionen mit ,


Merke

Wegen nennt man diese Funktionen auch Wurzelfunktionen. Ihr Definitionsbereich ist (wie die Aufgaben 1 und 2 gezeigt haben) IR+0. Beschränkt man sich auf diesen Definitonsbereich, dann ist die n-te Wurzelfunktion f mit die Umkehrfunktion zur Potenzfunktion g der Bauart g(x) xn und g die Umkehrfunktion zu f (Näheres zur Umkehrfunktion siehe nächstes Kapitel).

Im Falle n2 nennt man die Wurzel "Quadratwurzel" und man schreibt:

Im Falle n3 nennt man die Wurzel "Kubikwurzel", i. Z.: bzw. .

Den Grund für diese Bezeichnungen zeigen die folgenden Beispiele:


Beispiel: Quadratwurzeln

Diagonale Potenzfunktionen.jpg

Beispielsweise ergibt sich die Länge der Diagonalen B in einem Quadrat der Seitenlänge a1 über den Satz des Pythagoras zu:

Die Lösung ergibt hier keinen Sinn, da wir nur Längen in der realen Welt betrachten.

Diagonale3.jpg

Auch die Länge der Raumdiagonale C im Einheitswürfel (das ist ein Würfel mit der Kantenlänge a=1) ergibt sich über eine analoge Rechnung aus dem Satz des Satz des Pythagoras (hier: ) zu:

Die Lösung ist also angeben.


Beispiel: Kubikwurzel

Das Volumen V eines Würfels (lat.: "cubus") der Kantenlänge s5 ergibt sich über:

Umgekehrt erhält man die Kantenlänge eines Würfels mit Volumen V27 durch ziehen der 3.-Wurzel:

Einfluss von Parametern

Aufgabe 3

Im Applet kannst Du die Parameter a und c mit den Schiebereglern verändern.

  1. Wie beeinflusst der Parameter a die Lage des Graphen?
  2. Wie beeinflusst der Parameter c die Lage des Graphen?
GeoGebra
zu 1.) Der Parameter a bewirkt für a>1 eine Streckung des Graphen in y-Richtung, für 0<a<1 eine Stauchung in y-Richtung; für a0 erhält man eine konstante Funktion mit f(x)c. Wird a negativ, so wird f zu einer monoton fallenden Funktion.
zu 2.) Der Parameter c bewirkt eine Verschiebung des kompletten Graphen in y-Richung, da zu jedem Funktionswert y der Wert c addiert wird.


*Zum Weiterdenken: Definitionsbereich der Wurzelfunktionen

(*Zusatzinformation, freilwillige Ergänzung)

Einschränkung auf IR+0

Gelegentlich findet man in Büchern oder auch im Internet folgende Darstellung:

Wegen

(-2)3 -8

erscheint das richtig zu sein, allerdings kann diese Festlegung zu Widersprüchen führen, wie das folgende Beispiel zeigt:


Um solche Fälle von Nicht-Eindeutigkeiten, aber auch um Fallunterscheidungen bei für gerade und ungerade n zu vermeiden, schränkt man den Definitionsbereich ID der Wurzelfunktionen grundsätzlich auf die nicht-negativen reellen Zahlen ein, also:

mit und



Als nächstes erfährst du etwas über Potenzfunktionen, die auch negative Stammbrüchen im Exponenten haben.