Schwerpunktfach · Lerngebiet 3 · Funktionen · 55 Lektionen

3.2a Potenzfunktionen

RLP 3.2 · Teil 1 von 2

Potenzfunktionen der Form \(f(x) = a \cdot x^n\) mit ganzzahligen Exponenten sind die Grundbausteine vieler Funktionsklassen: Ihre Graphen sind Parabeln n-ter Ordnung (positive Exponenten) oder Hyperbeln n-ter Ordnung (negative Exponenten). Hier untersuchst du ihren Verlauf, ihre Symmetrien, das asymptotische Verhalten und die Wirkung von Streckungen und Verschiebungen.

📋 Kompetenzen nach RLP 2030 — Teilgebiet 3.2
  • die Wurzelfunktionen als Umkehrfunktion der Potenzfunktion mit ganzzahligen Exponenten berechnen, interpretieren und grafisch darstellen auch ohne Hilfsmittel

Diese Seite legt den Grundstein: die Potenzfunktionen selbst. Die Wurzelfunktionen als ihre Umkehrfunktionen werden in Teil 2 (s3-2b) behandelt.

🎯 Lernziele — das kann ich nach dieser Seite
  • Ich kann eine Potenzfunktion \(f(x) = a \cdot x^n\) mit \(n \in \mathbb{Z} \setminus \{0\}\) erkennen und von anderen Funktionstypen unterscheiden.
  • Ich kann die Graphen für gerade und ungerade Exponenten skizzieren und ihre Symmetrie (Achsen- bzw. Punktsymmetrie) begründen.
  • Ich kann Definitions- und Wertemenge sowie die gemeinsamen Punkte der Parabeln und Hyperbeln n-ter Ordnung angeben.
  • Ich kann horizontale und vertikale Asymptoten von Hyperbeln bestimmen und die Polstelle benennen.
  • Ich kann die Wirkung der Parameter in \(f(x) = a \cdot (x-u)^n + v\) beschreiben und Nullstellen solcher Funktionen berechnen.
  • Ich kann aus vorgegebenen Punkten die Parameter \(a\) und \(n\) einer Potenzfunktion bestimmen.

Einstieg — ein Ballon wird aufgeblasen

Ein kugelförmiger Ballon wird mit Helium gefüllt. Sein Radius wächst dabei um 4 cm pro Sekunde, also \(r(t) = 0.4 \cdot t\) in Dezimetern. Für das Volumen gilt:

\[ V(t) = \frac{4}{3}\,\pi \cdot \bigl(0.4 \cdot t\bigr)^3 \approx 0.268 \cdot t^3 \quad [\text{dm}^3] \]

Das Volumen wächst mit der dritten Potenz der Zeit. Bei \(150\ \text{dm}^3\) platzt der Ballon — wann ist es so weit?

🎈 Ballon füllen: \(V(t) \approx 0.268 \cdot t^3\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Doppelte Zeit heisst \(2^3 = 8\)-faches Volumen — typisch für eine Potenzfunktion dritten Grades. Der Graph ist keine Gerade: Die Änderungsrate wächst mit. Der Ballon platzt nach etwa \(8.2\) Sekunden.

Radiuswachstum 4 cm/s · Platzgrenze 150 dm³

5.0 s
Funktion und Auswertung
V(t) = 0.268·t³
V(5.0) = 0.268·5.0³ = 33.51 dm³
📘 Was sehen wir?

Der Zusammenhang \(t \mapsto V\) ist keine lineare und keine quadratische Funktion — das Volumen hängt von der dritten Potenz der Zeit ab:

  • Verdoppelung der Zeit → Verachtfachung des Volumens (\(2^3 = 8\))
  • Der Graph startet flach und wird immer steiler — die Änderungsrate ist nicht konstant
✏️ Mini-Check — Einstieg
Multiple Choice

Die Zeit wird verdreifacht. Um welchen Faktor wächst das Ballonvolumen \(V(t) \approx 0.268 \cdot t^3\)?

  • Faktor 3
  • Faktor 9
  • Faktor 27
Lösung anzeigen
C. \(V(3t) = 0.268 \cdot (3t)^3 = 3^3 \cdot 0.268 \cdot t^3 = 27 \cdot V(t)\).
Lückentext

Der Exponent der Zeitvariablen in der Ballon-Funktion ist — darum verachtfacht sich das Volumen bei Verdopplung der Zeit.

Lösung anzeigen
3 — denn \(V\) hängt über \(r^3\) von \(t\) ab, und \(2^3 = 8\).
Kurze Rechnung

Berechne das Ballonvolumen nach \(2\) Sekunden.

Lösung anzeigen
\(V(2) = 0.268 \cdot 2^3 = 0.268 \cdot 8 \approx 2.14\ \text{dm}^3\).
Transfer

Der Ballon platzt bei \(150\ \text{dm}^3\). Stelle die Gleichung auf und bestimme die Platzzeit.

Lösungsweg anzeigen
Ansatz: \(0.268 \cdot t^3 = 150\), also \(t^3 = \dfrac{150}{0.268} \approx 560\) und damit \(t = \sqrt[3]{560} \approx 8.2\) s. (Die dritte Wurzel ist die Umkehrung des Potenzierens — genau darum geht es in Teil 2.)

Definition

📘 Definition — Potenzfunktion

Eine Funktion mit einer Gleichung der Form

\[ y = f(x) = a \cdot x^n, \qquad n \in \mathbb{Z} \setminus \{0\},\quad a \in \mathbb{R} \setminus \{0\} \]

heisst Potenzfunktion. Der Exponent \(n\) ist eine ganze Zahl, der Koeffizient \(a\) eine reelle Zahl. Die Definitionsmenge hängt von \(n\) ab: für \(n > 0\) ist sie ganz \(\mathbb{R}\), für \(n < 0\) dagegen \(\mathbb{R} \setminus \{0\}\) (Division durch \(x\)).

💡 Zwei Spezialfälle des Exponenten
  • \(n = 0\): Es ergäbe sich die konstante Funktion \(y = x^0 = 1\). Dieser Fall gehört nicht zu den Potenzfunktionen.
  • \(n = 1\): Es ergibt sich die lineare Funktion \(y = x\). Dieser Fall gehört zu den Potenzfunktionen.

Die Rechenregeln für Potenzen (Potenzgesetze) werden auf der Seite ↩ 1.2 Potenzen behandelt.

📘 Gerade und ungerade Funktionen
BegriffBedingungSymmetrie des Graphen
gerade Funktion\(f(-x) = f(x)\)Achsensymmetrie bezüglich der \(y\)-Achse
ungerade Funktion\(f(-x) = -f(x)\)Punktsymmetrie bezüglich des Ursprungs \((0 \mid 0)\)

Bei Potenzfunktionen entscheidet die Parität des Exponenten: gerades \(n\) → gerade Funktion, ungerades \(n\) → ungerade Funktion.

Die drei Darstellungen

Verändere den Koeffizienten \(a\), den Exponenten \(n\) und den Eingabewert \(x\) — Gleichung, Wertetabelle und Graph aktualisieren sich gleichzeitig.

Interaktive Darstellungen: \(f(x) = a \cdot x^n\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Gerades \(n\): achsensymmetrischer Graph; ungerades \(n\): punktsymmetrischer Graph. Grösseres \(|n|\) macht die Kurve zwischen \(-1\) und \(1\) flacher und aussen steiler. Bei negativem \(n\) ist \(x = 0\) nicht definiert — der Graph zerfällt in zwei Äste.

Koeffizient \(a\) · Exponent \(n \in \{-4,\dots,-1,\,1,\dots,5\}\) · Auswertung an der Stelle \(x\)

1
3
2
① Funktionsgleichung
f(x) = 1·x³
f(2) = 8
② Wertetabelle
\(x\)\(y=f(x)\)Punkt
③ Graph
✏️ Mini-Check — Definition und Darstellungen
Multiple Choice

Welche der folgenden Funktionen ist eine Potenzfunktion im Sinn der Definition?

  • \(f(x) = 3 \cdot x^{-2}\)
  • \(f(x) = 2^x\)
  • \(f(x) = x^2 + 1\)
Lösung anzeigen
A. \(3 \cdot x^{-2}\) hat die Form \(a \cdot x^n\) mit \(a = 3\), \(n = -2\). Bei \(2^x\) steht \(x\) im Exponenten (Exponentialfunktion), und \(x^2 + 1\) ist wegen des Summanden keine reine Potenzfunktion.
Lückentext

Gilt \(f(-x) = -f(x)\) für alle \(x\), so heisst die Funktion und ihr Graph ist punktsymmetrisch zum Ursprung.

Lösung anzeigen
ungerade — bei Potenzfunktionen genau dann, wenn der Exponent ungerade ist.
Kurze Rechnung

Berechne \(f(-2)\) für \(f(x) = x^5\).

Lösung anzeigen
\(f(-2) = (-2)^5 = -32\) — das Minus bleibt, weil der Exponent ungerade ist.
Transfer

Warum hat \(f(x) = x^{-2}\) an der Stelle \(x = 0\) keinen Funktionswert, und was bedeutet das für den Graphen?

Lösungsweg anzeigen
\(x^{-2} = \dfrac{1}{x^2}\) — bei \(x = 0\) müsste durch null dividiert werden. Die Stelle \(x_0 = 0\) ist eine Definitionslücke: Der Graph zerfällt in zwei Äste, die sich der \(y\)-Achse beliebig nähern, sie aber nie erreichen (vertikale Asymptote).

Typen — Parabeln und Hyperbeln n-ter Ordnung

📘 Parabel n-ter Ordnung

Der Graph einer Potenzfunktion mit \(n \in \mathbb{N}^* = \{1;\, 2;\, 3;\, \dots\}\) heisst Parabel n-ter Ordnung.

Eigenschaften\(y = x^{2k-1}\) (ungerade)\(y = x^{2k}\) (gerade)
Definitionsmenge\(D = \mathbb{R}\)\(D = \mathbb{R}\)
Wertemenge\(W = \mathbb{R}\)\(W = \mathbb{R}_0^+\)
Gemeinsame Punkte\((0 \mid 0)\), \((1 \mid 1)\), \((-1 \mid -1)\)\((0 \mid 0)\), \((1 \mid 1)\), \((-1 \mid 1)\)
Nullstellen\(x_0 = 0\)\(x_0 = 0\)
Symmetriepunktsymmetrisch zum Ursprung (ungerade Funktion)achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse (gerade Funktion)
💡 Terrassenpunkt und Flachpunkt

Der Punkt \(S = (0 \mid 0)\) heisst bei Potenzfunktionen mit ungeraden Exponenten (\(n \geq 3\)) Terrassenpunkt, bei geraden Exponenten Flachpunkt — die Kurve verläuft dort besonders flach.

📘 Hyperbel n-ter Ordnung

Der Graph einer Potenzfunktion mit \(n \in \mathbb{Z}^- = \{-1;\, -2;\, -3;\, \dots\}\) heisst Hyperbel n-ter Ordnung. Der Funktionsterm kann als Bruch geschrieben werden:

\[ y = x^{-n} = \frac{1}{x^{n}}, \qquad n \in \mathbb{N}^* \]
Eigenschaften\(y = \dfrac{1}{x^{2n-1}}\) (ungerade)\(y = \dfrac{1}{x^{2n}}\) (gerade)
Definitionsmenge\(D = \mathbb{R} \setminus \{0\}\)\(D = \mathbb{R} \setminus \{0\}\)
Wertemenge\(W = \mathbb{R} \setminus \{0\}\)\(W = \mathbb{R}^+\)
Gemeinsame Punkte\((1 \mid 1)\), \((-1 \mid -1)\)\((1 \mid 1)\), \((-1 \mid 1)\)
Nullstellen
Symmetriepunktsymmetrisch zum Ursprung (ungerade Funktion)achsensymmetrisch zur \(y\)-Achse (gerade Funktion)
Asymptoten\(x = 0\); \(y = 0\)\(x = 0\); \(y = 0\)

Typen der Potenzfunktionen

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Alle Graphen laufen durch \((1 \mid 1)\). Zwischen \(0\) und \(1\) gilt \(x^4 < x^2\), ausserhalb \(x^4 > x^2\). Die Hyperbel-Äste schmiegen sich an die Koordinatenachsen an — das ist asymptotisches Verhalten.

Klicke auf eine Funktion — ihr Graph mit den gemeinsamen Punkten wird angezeigt:

Paritäts-Explorer — gerade oder ungerade?

Ob eine Potenzfunktion \(y = x^n\) achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch ist, entscheidet allein die Parität des Exponenten. Wähle \(n\) und einen Stützwert \(x_0\): das Widget spiegelt den Punkt und prüft, welche Spiegelung wieder auf der Kurve landet.

Symmetrie-Checker: \(f(-x) = (-1)^n\,f(x)\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
\(f(-x_0) = (-x_0)^n = (-1)^n x_0^n\). Bei geradem \(n\) ist \((-1)^n = +1\): \(f(-x_0) = f(x_0)\), der Punkt spiegelt sich an der \(y\)-Achse — die Funktion ist gerade (achsensymmetrisch). Bei ungeradem \(n\) ist \((-1)^n = -1\): \(f(-x_0) = -f(x_0)\), der Punkt spiegelt sich am Ursprung — die Funktion ist ungerade (punktsymmetrisch).

Stützpunkt \(P\) blau · gespiegelter Kurvenpunkt \(Q=(-x_0 \mid f(-x_0))\) rot · Spiegel-Element grün

2
1.20
Symmetrie
gerade · f(−x) = +f(x) · achsensymmetrisch zur y-Achse
✏️ Mini-Check — Parabeln und Hyperbeln
Multiple Choice

Welche Punkte haben alle Potenzfunktionen \(y = x^{2n}\) mit geraden, natürlichen Exponenten gemeinsam?

  • \((0 \mid 0)\), \((1 \mid 1)\), \((-1 \mid 1)\)
  • \((0 \mid 0)\), \((1 \mid 1)\), \((-1 \mid -1)\)
  • \((0 \mid 1)\), \((1 \mid 1)\)
Lösung anzeigen
A. \(0^{2n} = 0\), \(1^{2n} = 1\) und \((-1)^{2n} = 1\) für jedes gerade \(2n\).
Lückentext

Die Definitionslücke einer Hyperbel bei \(x_0 = 0\) heisst auch , die zugehörige senkrechte Gerade Polgerade.

Lösung anzeigen
Polstelle (kurz: Pol) — dort wächst \(|f(x)|\) über alle Grenzen.
Kurze Rechnung

Gib die Asymptoten der Hyperbel \(y = \dfrac{1}{x^3}\) an.

Lösung anzeigen
Vertikale Asymptote \(x = 0\) (die \(y\)-Achse), horizontale Asymptote \(y = 0\) (die \(x\)-Achse).
Transfer

Begründe, warum die Wertemenge von \(y = \dfrac{1}{x^2}\) nur aus positiven Zahlen besteht — und warum die \(0\) nicht dazugehört.

Lösungsweg anzeigen
\(x^2 > 0\) für alle \(x \neq 0\), also ist auch \(\tfrac{1}{x^2} > 0\). Der Wert \(0\) wird nie erreicht: \(\tfrac{1}{x^2} = 0\) hätte keine Lösung, denn ein Bruch mit Zähler \(1\) wird nie null. Also \(W = \mathbb{R}^+\).

Asymptoten und Transformationen

📘 Definition — Horizontale Asymptote

Eine Gerade, an die sich der Graph einer Funktion mit immer grösser werdender Entfernung vom Ursprung in \(x\)-Richtung immer mehr annähert — der Abstand zur Geraden geht gegen null. (Entscheidend ist nur dieses Grenzverhalten; unterwegs darf der Graph die Asymptote durchaus schneiden.)

📘 Definition — Vertikale Asymptote

Eine Gerade, an die sich der Graph einer Funktion mit immer grösser werdender Entfernung vom Ursprung des Koordinatensystems in \(y\)-Richtung immer mehr annähert, ohne sie zu schneiden. Die zugehörige Definitionslücke \(x_0\) heisst Polstelle (kurz: Pol), die senkrechte Gerade \(x = x_0\) Polgerade.

📘 Transformationen: \(y = a \cdot (x-u)^n + v\)
ParameterWirkung auf den Graphen von \(y = x^n\)
\(u\)Verschiebung um \(u\) in \(x\)-Richtung (nach rechts für \(u > 0\))
\(v\)Verschiebung um \(v\) in \(y\)-Richtung (nach oben für \(v > 0\))
\(|a|\)Streckung (\(|a| > 1\)) bzw. Stauchung (\(|a| < 1\)) in \(y\)-Richtung
\(a < 0\)zusätzlich Spiegelung an der \(x\)-Achse

Bei einer verschobenen Hyperbel wandern die Asymptoten mit: vertikale Asymptote \(x = u\), horizontale Asymptote \(y = v\).

Verschobene Hyperbel: \(y = \dfrac{1}{(x-u)^p} + v\)

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Die Polgerade \(x = u\) folgt der horizontalen, die Asymptote \(y = v\) der vertikalen Verschiebung. Bei ungerader Ordnung liegen die Äste diagonal gegenüber, bei gerader Ordnung beide oberhalb von \(y = v\).

Verschiebung \(u\), \(v\) · Hyperbel-Ordnung \(p \in \{1;\, 2\}\) · Asymptoten gestrichelt

1
−1
Funktionsgleichung und Asymptoten
y = 1/(x − 1)¹ − 1
Polgerade: x = 1 · Asymptote: y = −1
🟢 Beispiel 1 — Verschiebung

Der Graph von \(f_1: y = \tfrac{1}{4} \cdot x^5\) wird um \(4\) Einheiten nach rechts und \(3\) Einheiten nach oben verschoben. Gesucht ist die Gleichung der Bildfunktion \(f_2\).

Lösung:

\[ f_2:\; y = \tfrac{1}{4} \cdot (x-4)^5 + 3 \]
🟢 Beispiel 2 — Nullstellen

Bestimme die Nullstellen der Funktion \(f: y = (x-3)^4 - 16\).

Lösung: Wir setzen \(y = 0\) und lösen nach \(x\) auf:

\[ 0 = (x-3)^4 - 16 \;\Longrightarrow\; (x-3)^4 = 16 \;\Longrightarrow\; x - 3 = \pm\sqrt[4]{16} = \pm 2 \] \[ x_1 = 3 + 2 = 5, \qquad x_2 = 3 - 2 = 1 \]

Beim Wurzelziehen mit geradem Exponenten entstehen zwei Lösungen (\(\pm\)).

🟢 Beispiel 3 — Symmetrienachweis

Zeige, dass die Funktion \(f: y = \tfrac{1}{2} x^8 - 3\) gerade ist.

Lösung: Es muss \(f(-x) = f(x)\) gelten. Wir ersetzen \(x\) durch \(-x\):

\[ f(-x) = \tfrac{1}{2} (-x)^8 - 3 = \tfrac{1}{2} x^8 - 3 = f(x) \quad\checkmark \]
⚠ Häufiger Fehler: \((-x)^n\) und \(-x^n\) verwechseln

\((-2)^4 = 16\), aber \(-2^4 = -(2^4) = -16\). Die Klammer entscheidet, ob das Minus mitpotenziert wird. Beim Symmetrienachweis \(f(-x)\) muss das ganze Argument in Klammern ersetzt werden: \(f(-x) = a \cdot (-x)^n\), nicht \(a \cdot (-x^n)\).

⚠ Häufiger Fehler — „Der Graph berührt die Asymptote irgendwann"

Die Hyperbel kommt der Asymptote beliebig nahe, erreicht sie aber nie: \(\tfrac{1}{x} = 0\) hat keine Lösung. Wer im Graphen die Kurve auf der Achse „aufliegen" lässt, zeichnet falsch — bei jeder noch so grossen Entfernung bleibt ein Abstand.

💡 Strategie — Nullstellen von \(a(x-u)^n + v = 0\)

Immer zuerst nach der Potenz auflösen: \((x-u)^n = -\tfrac{v}{a}\). Dann die \(n\)-te Wurzel ziehen — bei geradem \(n\) gibt es zwei Lösungen (\(\pm\)), falls die rechte Seite positiv ist, und keine, falls sie negativ ist. Bei ungeradem \(n\) gibt es immer genau eine Lösung.

✏️ Mini-Check — Asymptoten und Transformationen
Multiple Choice

Wie geht der Graph von \(y = (x-4)^5\) aus dem Graphen von \(y = x^5\) hervor?

  • Verschiebung um 4 nach links
  • Verschiebung um 4 nach rechts
  • Verschiebung um 4 nach oben
Lösung anzeigen
B. \((x - u)\) mit \(u = 4\) verschiebt nach rechts — Kontrolle: Die Nullstelle wandert von \(x = 0\) zu \(x = 4\).
Lückentext

Die Hyperbel \(y = \dfrac{1}{(x+2)^3} - 3\) hat die Polgerade \(x = \) und die horizontale Asymptote \(y = -3\).

Lösung anzeigen
\(x = -2\) — denn \(x + 2 = x - (-2)\), also \(u = -2\).
Kurze Rechnung

Bestimme die Nullstellen von \(y = (x-3)^4 - 16\).

Lösung anzeigen
\((x-3)^4 = 16 \Rightarrow x - 3 = \pm 2 \Rightarrow x_1 = 5\), \(x_2 = 1\).
Transfer

Hat die Funktion \(y = (x-1)^6 + 2\) Nullstellen? Begründe ohne zu rechnen.

Lösungsweg anzeigen
Nein: \((x-1)^6 \geq 0\) für alle \(x\) (gerader Exponent), also ist \(y \geq 2 > 0\). Der Ansatz \((x-1)^6 = -2\) hätte keine Lösung, weil eine gerade Potenz nie negativ ist.

Aufgaben

🟠 A1Potenzfunktion am Graphen erkennen

Wähle einen Graphen und entscheide, welche Funktionsgleichung dazu passt.

A1 · Potenzfunktion am Graphen erkennen
💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Das Vorzeichen des Exponenten entscheidet über die Bauform: \(n > 0\) gibt eine Kurve durch \((0\mid 0)\), \(n < 0\) eine Hyperbel mit Polstelle bei \(x = 0\). Die Parität entscheidet über die Symmetrie: gerades \(n\) achsensymmetrisch, ungerades \(n\) punktsymmetrisch. Alle vier laufen durch \((1\mid 1)\) — dort lässt sich nichts unterscheiden.

Welche Gleichung gehört zum angezeigten Graphen?

🟠 A2Graphen skizzieren

Skizziere die folgenden Graphen von Hand auf Häuschenpapier. Nutze die gemeinsamen Punkte und die Symmetrie. Vergleiche danach mit der Lösung.

  1. \(y = \tfrac{1}{2} x^4 - 2\)
  2. \(y = -(x+1)^3\)
  3. \(y = \dfrac{1}{x-2} + 1\) (mit Asymptoten!)
🟢 Lösung
  1. Blau: gestauchte Parabel 4. Ordnung, um 2 nach unten verschoben; achsensymmetrisch, Nullstellen bei \(x = \pm\sqrt[4]{4} = \pm\sqrt{2} \approx \pm 1.41\).
  2. Grün: Parabel 3. Ordnung, um 1 nach links verschoben und an der \(x\)-Achse gespiegelt; Terrassenpunkt bei \((-1 \mid 0)\).
  3. Violett: Hyperbel 1. Ordnung mit Polgerade \(x = 2\) und horizontaler Asymptote \(y = 1\) (gestrichelt).
🟠 A3Rechnen mit Potenzfunktionen
🟠 a) Nullstellen bestimmen

Bestimme die beiden Nullstellen von \(f(x) = (x+1)^4 - 81\).

🟢 Lösung
\[ (x+1)^4 = 81 \;\Longrightarrow\; x + 1 = \pm\sqrt[4]{81} = \pm 3 \;\Longrightarrow\; x_1 = -4,\quad x_2 = 2 \]

Probe: \((2+1)^4 - 81 = 81 - 81 = 0\) ✓ und \((-4+1)^4 - 81 = 81 - 81 = 0\) ✓

🟠 b) Exponent bestimmen

Bestimme \(n\) so, dass die Potenzfunktion \(y = x^n\) durch den Punkt geht:

🟢 Lösung
  1. \(3^n = 27 = 3^3 \Rightarrow n = 3\)
  2. \((-2)^n = -32\): Wegen des negativen Ergebnisses muss \(n\) ungerade sein; \((-2)^5 = -32 \Rightarrow n = 5\)
  3. \(2^n = 64 = 2^6 \Rightarrow n = 6\)
🟠 c) Koeffizient und Exponent aus zwei Punkten

Die Potenzfunktion \(y = a \cdot x^n\) geht durch \(P = (1 \mid 2)\) und \(Q = (2 \mid 16)\). Bestimme \(a\) und \(n\).

🟢 Lösung

Aus \(P\): \(a \cdot 1^n = 2 \Rightarrow a = 2\). Aus \(Q\): \(2 \cdot 2^n = 16 \Rightarrow 2^n = 8 \Rightarrow n = 3\).

Probe: \(y = 2 \cdot x^3\) liefert \(2 \cdot 2^3 = 16\) ✓

🟠 d) Asymptoten angeben

Bestimme Polgerade und horizontale Asymptote von \(y = -\dfrac{1}{x+2}\).

🟢 Lösung

Definitionslücke bei \(x + 2 = 0\), also Polgerade \(x = -2\). Keine Verschiebung in \(y\)-Richtung, also horizontale Asymptote \(y = 0\). Das Minuszeichen spiegelt die Hyperbel nur an der \(x\)-Achse — die Asymptoten ändert es nicht.

🟠 e) Transformationskette

Der Graph von \(y = \tfrac{1}{2} x^4\) wird um \(3\) Einheiten nach rechts und \(2\) Einheiten nach unten verschoben. Gib die Gleichung der Bildfunktion an und bestimme ihre Nullstellen.

🟢 Lösung
\[ y = \tfrac{1}{2}(x-3)^4 - 2 \]

Nullstellen: \(\tfrac{1}{2}(x-3)^4 = 2 \Rightarrow (x-3)^4 = 4 \Rightarrow x - 3 = \pm\sqrt[4]{4} = \pm\sqrt{2}\)

\[ x_1 = 3 + \sqrt{2} \approx 4.41, \qquad x_2 = 3 - \sqrt{2} \approx 1.59 \]
🟠 A4Gesetz von Boyle-Mariotte

Für ein ideales Gas bei konstanter Temperatur gilt \(p \cdot V = \text{const}\). Für eine eingeschlossene Gasmenge sei \(p \cdot V = 450\) (Druck \(p\) in kPa, Volumen \(V\) in dm³), also:

\[ p(V) = \frac{450}{V} \]
  1. Berechne den Druck bei \(V = 3\ \text{dm}^3\).
  2. Bei welchem Volumen beträgt der Druck \(100\) kPa?
  3. Welcher Funktionstyp liegt vor? Was bedeuten die Asymptoten physikalisch?
🟢 Lösung
  1. \(p(3) = \dfrac{450}{3} = 150\) kPa
  2. \(100 = \dfrac{450}{V} \Rightarrow V = \dfrac{450}{100} = 4.5\ \text{dm}^3\)
  3. \(p(V) = 450 \cdot V^{-1}\) ist eine Potenzfunktion mit \(n = -1\) — der Graph ist eine Hyperbel (nur der Ast im 1. Quadranten ist physikalisch sinnvoll, da \(V > 0\)). Asymptoten: Für \(V \to \infty\) geht \(p \to 0\) (riesiges Volumen → verschwindender Druck), für \(V \to 0\) wächst \(p\) über alle Grenzen (Zusammenpressen auf null Volumen ist unmöglich).
🟠 A5Würfel und Kugel

Ein Würfel hat die Kantenlänge \(2a\), eine Kugel den Radius \(a\).

  1. Gib die Funktionsgleichungen \(V_W(a)\) und \(V_K(a)\) an.
  2. Berechne \(V_W(1.5)\).
  3. Um welchen Faktor ist das Würfelvolumen stets grösser als das Kugelvolumen?
  4. Wie gross muss der Radius \(r\) einer Kugel sein, damit ihr Volumen gleich dem Volumen eines Würfels mit \(a = 1\) m ist?
🟢 Lösung
  1. \(V_W(a) = (2a)^3 = 8a^3\) und \(V_K(a) = \tfrac{4}{3}\pi a^3 \approx 4.19\,a^3\) — beides Potenzfunktionen dritten Grades.
  2. \(V_W(1.5) = 8 \cdot 1.5^3 = 8 \cdot 3.375 = 27\ \text{m}^3\)
  3. \(\dfrac{V_W}{V_K} = \dfrac{8}{\tfrac{4}{3}\pi} = \dfrac{6}{\pi} \approx 1.91\) — unabhängig von \(a\), weil beide denselben Exponenten haben.
  4. Ansatz: \(\tfrac{4}{3}\pi r^3 = 8\ \text{m}^3 \Rightarrow r^3 = \dfrac{6}{\pi} \Rightarrow r = \sqrt[3]{6/\pi} \approx 1.24\) m.
🟠 A6Parallelschaltung von Widerständen

Der Gesamtwiderstand \(R\) zweier parallel geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) ist

\[ R = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2} \]

Es sei \(R_2 = 2200\ \Omega\) fest, also \(R(R_1) = \dfrac{2200 \cdot R_1}{R_1 + 2200}\).

  1. Berechne \(R(2200)\).
  2. Wie gross muss \(R_1\) sein, damit der Gesamtwiderstand \(1500\ \Omega\) beträgt?
  3. Welchem Wert nähert sich \(R\) für sehr grosse \(R_1\)? Deute die horizontale Asymptote physikalisch.
🟢 Lösung
  1. \(R(2200) = \dfrac{2200 \cdot 2200}{4400} = 1100\ \Omega\) — zwei gleiche Widerstände parallel halbieren den Widerstand.
  2. Über die Kehrwert-Form \(\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}\): \(\dfrac{1}{R_1} = \dfrac{1}{1500} - \dfrac{1}{2200} = \dfrac{2200 - 1500}{1500 \cdot 2200} = \dfrac{700}{3.3 \cdot 10^6}\), also \(R_1 = \dfrac{3.3 \cdot 10^6}{700} \approx 4714\ \Omega \approx 4.71\ \text{k}\Omega\).
  3. Für \(R_1 \to \infty\) geht \(R \to 2200\ \Omega\) — horizontale Asymptote \(R = R_2\). Physikalisch: Ein riesiger Parallelwiderstand lässt fast keinen Strom durch; es bleibt praktisch nur der Zweig mit \(R_2\). Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.
🟠 A7Optimale Getränkedose Vertiefung

Eine zylindrische Getränkedose mit Radius \(r\) und Höhe \(h\) fasst exakt \(355\ \text{cm}^3\). Der Hersteller sucht die Abmessungen mit minimalem Blechverbrauch (Oberfläche \(S\)).

  1. Zeige: Mit \(h = \dfrac{355}{\pi r^2}\) gilt \(S(r) = 2\pi r^2 + \dfrac{710}{r}\).
  2. Aus welchen zwei Potenzfunktionen setzt sich \(S(r)\) zusammen?
  3. Werte \(S(r)\) für \(r = 2, 3, 4, 5, 6\) cm aus und lies das Minimum näherungsweise ab.
  4. Vergleiche \(h\) und \(r\) an der optimalen Stelle.
🟢 Lösung
  1. \(S = 2\pi r^2 + 2\pi r h\) (zwei Deckel + Mantel). Mit \(h = \dfrac{355}{\pi r^2}\): \(2\pi r \cdot \dfrac{355}{\pi r^2} = \dfrac{710}{r}\), also \(S(r) = 2\pi r^2 + \dfrac{710}{r}\). ✓
  2. \(g(r) = 2\pi \cdot r^2\) (Parabel, \(n = 2\)) und \(h(r) = 710 \cdot r^{-1}\) (Hyperbel, \(n = -1\)).
  3. \(S(2) \approx 380.1\), \(S(3) \approx 293.2\), \(S(4) \approx 278.0\), \(S(5) \approx 299.1\), \(S(6) \approx 344.5\) (alle in cm²). Das Minimum liegt bei etwa \(r \approx 3.8\) cm mit \(S_{\min} \approx 277.5\ \text{cm}^2\).
  4. An der optimalen Stelle \(r \approx 3.84\) cm ist \(h = \dfrac{355}{\pi r^2} \approx 7.67\) cm — es gilt exakt \(h = 2r\): Die optimale Dose ist genau so hoch wie breit. (Reale Dosen sind schlanker — aus Gründen der Handhabung, nicht der Blechersparnis.)

Zusammenfassung

⭐ Merksatz

Der Exponent \(n\) bestimmt die Grundform (Parabel für \(n > 0\), Hyperbel für \(n < 0\)), seine Parität die Symmetrie (gerade → Achsensymmetrie, ungerade → Punktsymmetrie). Die Parameter in \(a \cdot (x-u)^n + v\) strecken, spiegeln und verschieben diese Grundform — bei Hyperbeln wandern die Asymptoten zu \(x = u\) und \(y = v\) mit.

Typ\(x^{2n}\)\(x^{2n-1}\)\(x^{-2n}\)\(x^{-(2n-1)}\)
GraphParabelParabelHyperbelHyperbel
\(D\)\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R} \setminus \{0\}\)\(\mathbb{R} \setminus \{0\}\)
\(W\)\(\mathbb{R}_0^+\)\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R}^+\)\(\mathbb{R} \setminus \{0\}\)
SymmetrieAchsePunktAchsePunkt
Nullstelle\(x_0 = 0\)\(x_0 = 0\)
Asymptoten\(x = 0\), \(y = 0\)\(x = 0\), \(y = 0\)

Zusatzmaterial

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