Kapitel IV: Ganzrationale Funktionen

IV.1 Eigenschaften ganzrationaler Funktionen

Definition

Eine ganzrationale Funktion (Polynomfunktion) vom Grad nn hat die Form: p(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0,an0p(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0, \quad a_n \neq 0

  • ana_n: führender Koeffizient
  • nn: Grad des Polynoms

Spezialfälle: Grad 1 (lineare Funktion), Grad 2 (quadratische Funktion), Grad 3 (kubische Funktion).

Verhalten für x±x \to \pm\infty

Das Verhalten im Unendlichen wird ausschließlich vom führenden Term anxna_n x^n bestimmt:

nn an>0a_n > 0 an<0a_n < 0
gerade \nearrow für x±x \to \pm\infty \searrow für x±x \to \pm\infty
ungerade \searrow für xx \to -\infty, \nearrow für x+x \to +\infty \nearrow für xx \to -\infty, \searrow für x+x \to +\infty

Stetigkeit und Differenzierbarkeit

Ganzrationale Funktionen sind auf ganz \mathbb{R} stetig und beliebig oft differenzierbar – ihr Graph hat keine Lücken, Sprünge oder Knicke.

Potenzfunktionen x^n für verschiedene Grade — gerade Exponenten: Parabelform; ungerade: S-Form

Aufgaben: Ganzrationale Funktionen und Potenzfunktionen


IV.2 Nullstellen ganzrationaler Funktionen

Definition und Vielfachheit

x0x_0 ist eine Nullstelle von pp, wenn p(x0)=0p(x_0) = 0.

Die Vielfachheit einer Nullstelle bestimmt das Verhalten des Graphen:

Vielfachheit Grafisches Verhalten Beispiel
k=1k = 1 (einfach) Graph schneidet die xx-Achse p(x)=(x2)p(x) = (x-2)
k=2k = 2 (doppelt) Graph berührt die xx-Achse, kein VZW p(x)=(x2)2p(x) = (x-2)^2
k=3k = 3 (dreifach) Graph schneidet mit Wendepunkt (VZW) p(x)=(x2)3p(x) = (x-2)^3
kk gerade Berühren, kein VZW
kk ungerade Schneiden, VZW

Faktorisierte Form

Sind x1,x2,,xmx_1, x_2, \ldots, x_m alle Nullstellen mit Vielfachheiten k1,k2,,kmk_1, k_2, \ldots, k_m, gilt: p(x)=an(xx1)k1(xx2)k2(xxm)kmp(x) = a_n \cdot (x - x_1)^{k_1} \cdot (x - x_2)^{k_2} \cdots (x - x_m)^{k_m}

Es gilt: k1+k2++kmnk_1 + k_2 + \cdots + k_m \leq n

Nullstellen berechnen

Einfache Fälle: - Ausklammern: p(x)=x34x=x(x24)=x(x2)(x+2)p(x) = x^3 - 4x = x(x^2 - 4) = x(x-2)(x+2) - Substitution: x45x2+4=0u=x2u25u+4=0x^4 - 5x^2 + 4 = 0 \xrightarrow{u = x^2} u^2 - 5u + 4 = 0

Polynomdivision: Ist x0x_0 eine bekannte Nullstelle, teile p(x)÷(xx0)p(x) \div (x - x_0) aus.

f(x) = x³ − 3x mit einfachen Nullstellen bei −√3, 0, √3

Aufgaben: Nullstellen, Symmetrie und Kurvendiskussion


IV.3 Symmetrie von Funktionsgraphen

Achsensymmetrie (gerade Funktion)

pp ist achsensymmetrisch zur yy-Achse, wenn: p(x)=p(x)für alle xp(-x) = p(x) \quad \text{für alle } x

Kennzeichen: Das Polynom enthält nur gerade Potenzen (x0,x2,x4,x^0, x^2, x^4, \ldots).

Beispiel: p(x)=3x42x2+1p(x) = 3x^4 - 2x^2 + 1 (gerade Funktion)

Punktsymmetrie (ungerade Funktion)

pp ist punktsymmetrisch zum Ursprung, wenn: p(x)=p(x)für alle xp(-x) = -p(x) \quad \text{für alle } x

Kennzeichen: Das Polynom enthält nur ungerade Potenzen (x1,x3,x5,x^1, x^3, x^5, \ldots).

Beispiel: p(x)=2x35xp(x) = 2x^3 - 5x (ungerade Funktion)

Vorgehen beim Nachweis

Um Symmetrie zu prüfen: p(x)p(-x) ausrechnen und mit p(x)p(x) bzw. p(x)-p(x) vergleichen.

Falls weder p(x)=p(x)p(-x) = p(x) noch p(x)=p(x)p(-x) = -p(x) gilt → keine Symmetrie.


IV.4 Polynomdarstellung und Grad

Faktorform und Normalform

  • Ausmultiplizieren: Faktorform (xx1)(xx2)(x-x_1)(x-x_2)\cdots \to Normalform
  • Faktorisieren: Normalform \to Faktorform (nach Nullstellenbestimmung)
  • Polynom aus Nullstellen: p(x)=a(xx1)k1(xxm)kmp(x) = a \cdot (x - x_1)^{k_1} \cdots (x - x_m)^{k_m}, Leitkoeffizient aa aus Zusatzbedingung

Grad des Produkts

deg(fg)=deg(f)+deg(g)\deg(f \cdot g) = \deg(f) + \deg(g)

Koeffizientenvergleich

Gilt p(x)=q(x)p(x) = q(x) für alle xx, so sind alle Koeffizienten gleich — damit lassen sich unbekannte Parameter bestimmen.

f(x) = 2(x+1)(x−2)(x−4) — Nullstellen aus Faktorform direkt ablesbar

Aufgaben: Polynomdarstellung und Grad


Rückblick: Wichtige Zusammenhänge

p(x)=anxn++a0Nullstelle x0:p(x0)=0p(x) = a_n x^n + \cdots + a_0 \qquad \text{Nullstelle } x_0: p(x_0) = 0

Vielfachheit und Verhalten: - kk gerade \Rightarrow Berühren der xx-Achse - kk ungerade \Rightarrow Schneiden der xx-Achse

Symmetrie: - Nur gerade Potenzen \Rightarrow achsensymmetrisch - Nur ungerade Potenzen \Rightarrow punktsymmetrisch