Übungen zur Vorlesung Mathe III - Analysis“ ” Musterlösung Hans-Christian von Bothmer, Henrik Bachmann WiSe 2015/16 Blatt 8 Thema: Umkehrfunktionen und ihre Ableitungen Präsenzaufgabe am 09.12.2015 und 10.12.2015 Aufgabe 1. Im Folgenden ist der Graph und die Wertetabelle einer auf dem Intervall [−2, 4] definierten Funktion f gegeben. x f (x) f 0 (x) -2 -1 56 -47 -240 0 0 1 2 3 4 0 65 88 81 128 72 48 0 0 120 1. Bestimmen Sie die Bereiche, auf denen f eine Umkehrfunktion besitzt und geben Sie deren Definitionsbereiche an. 2. Skizzieren Sie für jeden dieser Bereiche den Graphen der zugehörige Umkehrfunktion. Aufgabe 2. Seien folgende Funktionen gegeben f1 (x) = 2x3 + 3 , für alle x ∈ R , f2 (x) = x2 − 2x + 4 , für x ≥ 1 , f3 (x) = x2 − 6 , für x ≥ 0 . 1. Begründen Sie, dass es zu jeder diese Funktionen auf dem gesamten Definitionsbereich Umkehrfunktionen g1 , g2 und g3 gibt und bestimmen Sie deren Definitionsbereiche. 2. Berechnen Sie die Werte der Ableitungen g10 (5) , g20 (4) und g30 (4) . 1 Lösung: Aufgabe 1. 1. & 2. Es ist aus der Vorlesung bekannt, dass eine Funktion auf einem Bereich eine Umkehrfunktion besitzt, falls sie auf diesem streng monoton steigend oder fallend ist. Anhand des Graphens der Funktion f sieht man, dass diese im Bereich D1 = [−2, −1] streng monoton fällt, im Bereich D2 = [−1, 2] streng monoton steigt, in D3 = [2, 3] streng monoton fällt und im Bereich D4 = [3, 4] wieder streng monoton steigt. Mit h1 , . . . , h4 bezeichnen wir jeweils die zugehörigen Umkehrfunktionen auf diesen Bereichen. Um die Definitionsbereiche der Umkehrfunktionen hj zu bestimmen, müssen wir uns jeweils überlegen, welche Werte die Funktion f auf den Rändern von Dj annimmt. Da f (−2) = 56 und f (−1) = −47 ist somit der Definitionsbereich der Funktion h1 gegeben durch [−47, 56] . Als Graphen erhalten wir Mit f (−1) = −47 und f (2) = 88 erhalten wir als Definitionsbereich von h2 die Menge [−47, 88] . Als Graphen erhalten wir Analog ergibt sich mit f (2) = 88 und f (3) = 81 die Menge [81, 88] als Definitionsbereich von h3 und wir bekommen den Graphen 2 Schlussendlich ist f (3) = 81 und f (4) = 128 und somit ist [81, 128] der Definitionsbereich von h4 mit dem Graphen Aufgabe 2. 1. Analog zu Aufgabe 1 müssen wir uns überlegen, wann die Funktionen fj monoton fallen bzw. steigen. Wir berechnen daher zunächst die Ableitungen der Funktionen f1 , f2 und f3 : f10 (x) = 6x2 , f20 (x) = 2x − 2 , f30 (x) = 2x . Die Funktion f10 (x) ist für alle x ∈ R positiv und somit besitzt f1 auf dem gesamten Definitionsbereich eine Umkehrfunktion. Genauso ist f20 (x) für x ≥ 1 und f30 (x) für x ≥ 0 positiv und f2 und f3 besitzen ebenso auf ihrem gesamten Definitionsbereich Umkehrfunktionen. Um den Definitionsbereich dieser zu bestimmen müssen wir uns angucken welche Werte die Funktionen f1 , f2 und f3 annehmen. Die Funktion f1 ist eine monoton wachsende Funktion die für x → −∞ gegen −∞ und für x → ∞ gegen ∞ geht. Somit ist der Definitionsbereich ihrer Umkehrfunktion die Menge R aller reellen Zahlen . Die Funktion f2 ist auf ihrem Definitionsbereich x ≥ 1 monoton steigent. Es ist f2 (1) = 3 und somit ist der Definitionsbereich von g2 gegeben durch [3, ∞) : Die Funktion f3 ist auch auf ihrem Definitionsbereich x ≥ 0 monoton steigent und es ist f3 (0) = −6 . Der Definitionsbereich von g3 ist somit [−6, ∞) . 3 2. Ist g die Umkehrfunktion zu f , so ist die Ableitung von g gegeben durch g 0 (x) = 1 . f 0 (g(x)) Um g10 (5) , g20 (4) und g30 (4) zu berechnen müssen wir daher zunächst die Werte g1 (5) , g2 (4) und g3 (4) bestimmen. Um g1 (5) zu berechnen müssen wir uns Überlegen, wann f1 den Wert 5 annimmt. Dies ist der Fall bei x = 1 , d.h. f (1) = 2 · 13 + 3 = 5 und somit ist g1 (5) = 1 . √ √ Analog erhalten wir, dass g2 (4) = 2 , da f2 (2) = 4 und g3 (4) = 10 , da f3 ( 10) = 4 . Die Werte der Ableitungen sind somit gegeben durch 1 , 6 1 1 1 g20 (4) = 0 = 0 = , f2 (g2 (4)) f2 (2) 2 1 1 1 = 0 √ = √ . g30 (4) = 0 f3 (g3 (4)) f3 ( 10) 2 10 g10 (5) = 1 f10 (g1 (5)) = 4 1 f10 (1) =