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Stellen Sie aus rund 25.000 Matheaufgaben von der 3. bis zur 13. Klasse Ihre eigenen Arbeitsblätter zusammen. Alle Aufgaben enthalten Lösungsschritte.

Näherungsverfahren an Funktionsgraphen

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43434211
In der Abbildung sind der Graph von \(f(x)=0{,}5x^2-4{,}5\) und eine Tangente dargestellt. Die Tangente veranschaulicht den ersten Newton-Schritt zur positiven Nullstelle. a) Bestimme den dargestellten Startwert \(x_0\) und lies die erste Näherung \(x_1\) ungefähr an der \(x\)-Achse ab. b) Überprüfe den abgelesenen Wert mit der Newton-Formel.
Abbildung zur Aufgabe 434342

Denkanstöße

- Wo berührt die Tangente den Funktionsgraphen? - Welcher Schnittpunkt der Tangente liefert im Newton-Verfahren den nächsten Wert? - Vergleiche anschließend die rechnerische Näherung mit deiner Ablesung.

Lösung

1. Die Tangente berührt den Graphen bei \(x_0=4\). 2. Ihr Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse liegt ungefähr bei \(x_1\approx3{,}1\). 3. Es gilt \(f'(x)=x\), \(f(4)=3{,}5\) und \(f'(4)=4\). 4. Daher ist \(x_1=4-\frac{3{,}5}{4}=3{,}125\), was die grafische Schätzung bestätigt.

Antwort

a) \(x_0=4\); grafisch \(x_1\approx3{,}1\) b) \(x_1=3{,}125\)
43434311
Die Abbildung zeigt den Graphen von \(f(x)=x^3-4x+1\) und die Tangente im Punkt mit \(x_0=2{,}5\). Die größere positive Nullstelle soll mit dem Newton-Verfahren angenähert werden. a) Schätze anhand der Tangente den ersten Näherungswert \(x_1\). b) Berechne \(x_1\) anschließend exakt mithilfe der Ableitung.
Abbildung zur Aufgabe 434343

Denkanstöße

- Verfolge die rote Tangente bis zu ihrem Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse. - Welche Steigung besitzt diese Tangente rechnerisch? - Nutze für die exakte Berechnung Funktionswert und Ableitungswert bei \(x_0=2{,}5\).

Lösung

1. Die eingezeichnete Tangente schneidet die \(x\)-Achse etwas rechts von \(2\), ungefähr bei \(x_1\approx2{,}05\). 2. Es gilt \(f(2{,}5)=6{,}625\) und \(f'(x)=3x^2-4\), also \(f'(2{,}5)=14{,}75\). 3. Damit ist \(x_1=2{,}5-\frac{6{,}625}{14{,}75}=\frac{121}{59}\approx2{,}0508\). 4. Der rechnerische Wert stimmt mit der grafischen Schätzung überein.

Antwort

a) \(x_1\approx2{,}05\) b) \(x_1=\frac{121}{59}\approx2{,}0508\)
43438111
Die Abbildung zeigt den Graphen der Funktion \(f\) mit \(f(x) = 0{,}25x^3 - x + 1\) und die Tangente an den Graphen im Punkt mit \(x_0 = -3\). a) Lies aus der Abbildung näherungsweise die \(x\)-Koordinate \(x_1\) des Schnittpunkts dieser Tangente mit der \(x\)-Achse ab. b) Berechne \(x_1\) exakt mit dem Newton-Verfahren und erkläre, warum dieser Wert geometrisch zum ersten Newton-Schritt gehört.
Abbildung zur Aufgabe 434381

Denkanstöße

- Welcher Punkt der roten Geraden auf der horizontalen Achse ist für Teil a entscheidend? - Welche Steigung hat die Tangente an der Stelle \(x_0=-3\)? - Vergleiche die rechnerisch erhaltene Zahl mit dem in der Abbildung abgelesenen Schnittpunkt.

Lösung

1. Aus der Abbildung lässt sich für den Schnittpunkt der Tangente mit der \(x\)-Achse ungefähr \(x_1 \approx -2{,}5\) ablesen. 2. Es gilt \(f(-3) = -2{,}75\) und \(f'(x) = 0{,}75x^2 - 1\), also \(f'(-3) = 5{,}75\). 3. Mit der Newton-Formel folgt \(x_1 = -3 - \frac{-2{,}75}{5{,}75} = -3 + \frac{11}{23} = -\frac{58}{23} \approx -2{,}52\). 4. Dieser Wert ist genau die \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts der Tangente im Punkt \((-3\mid f(-3))\) mit der \(x\)-Achse. Deshalb entspricht er geometrisch dem ersten Newton-Schritt.

Antwort

a) \(x_1 \approx -2{,}5\) b) \(x_1 = -\frac{58}{23} \approx -2{,}52\); der Wert ist die \(x\)-Koordinate des Tangentenschnittpunkts mit der \(x\)-Achse.
55090511
Die Abbildung zeigt den Graphen der Funktion \(f\) mit \(f(x) = x^2 - 2\) und die Tangente \(t\) im Punkt \(P_0\) mit \(x_0 = 2\). a) Die Tangente an der Stelle \(x_0\) hat die Gleichung \(t(x) = f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0)\). Setze für ihren Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse \(t(x) = 0\) und forme nach \(x\) um. Zeige so, dass der Schnittpunkt die \(x\)-Koordinate \(x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)}\) hat. b) Bestimme \(x_1\) für \(x_0 = 2\) rechnerisch und vergleiche mit der Abbildung.
Abbildung zur Aufgabe 550905

Denkanstöße

- Welche Bedingung erfüllt jeder Punkt auf der \(x\)-Achse? - Löse die Tangentengleichung zunächst allgemein nach der gesuchten \(x\)-Koordinate auf. - Setze die Zahlenwerte erst ein, nachdem der allgemeine Zusammenhang feststeht. - Prüfe das Rechenergebnis am eingezeichneten Tangentenschnittpunkt.

Lösung

1. Für den Schnittpunkt der Tangente mit der \(x\)-Achse gilt \(0 = f(x_0) + f'(x_0)(x_1-x_0)\). 2. Daraus folgt \(f'(x_0)(x_1-x_0) = -f(x_0)\). Für \(f'(x_0) \neq 0\) erhält man \(x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)}\). 3. Für \(f(x)=x^2-2\) gilt \(f(2)=2\) und \(f'(2)=4\). 4. Daher ist \(x_1 = 2 - \frac{2}{4} = \frac{3}{2} = 1{,}5\). Dies stimmt mit dem Schnittpunkt der Tangente mit der \(x\)-Achse in der Abbildung überein.

Antwort

a) \(x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)}\) b) \(x_1 = \frac{3}{2} = 1{,}5\); dies stimmt mit der Abbildung überein.
55228011
Die Abbildung zeigt den Graphen von \(f(x)=x^3-2x-2\). Die Gerade \(q\) wurde als Newton-Tangente im Punkt \(P(2\mid f(2))\) vorgeschlagen. a) Bestimme aus der Abbildung die Steigung von \(q\) und überprüfe mit \(f'(2)\), ob \(q\) tatsächlich die Tangente in \(P\) sein kann. b) Bestimme die Gleichung der richtigen Tangente in \(P\). c) Bestimme aus dieser Tangente den nächsten Newton-Wert \(x_1\) für den Startwert \(x_0=2\).
Abbildung zur Aufgabe 552280

Denkanstöße

- Nutze zwei gut ablesbare Punkte der vorgeschlagenen Geraden, um ihre Steigung zu bestimmen. - Für eine Tangente muss ihre Steigung mit dem Ableitungswert an der Berührstelle übereinstimmen. - Der nächste Newton-Wert ist die \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts der richtigen Tangente mit der \(x\)-Achse.

Lösung

1. Die vorgeschlagene Gerade \(q\) verläuft durch \((1{,}5\mid0)\) und \(P(2\mid2)\). Daher hat sie die Steigung \(m_q=\frac{2-0}{2-1{,}5}=4\). 2. Es gilt \(f'(x)=3x^2-2\), also \(f'(2)=10\). Da \(4\neq10\) ist, kann \(q\) nicht die Tangente an den Graphen von \(f\) in \(P\) sein. 3. Mit \(f(2)=2\) und \(f'(2)=10\) lautet die richtige Tangente \(t(x)=2+10(x-2)=10x-18\). 4. Ihr Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse erfüllt \(10x-18=0\). Somit ist der nächste Newton-Wert \(x_1=1{,}8\).

Antwort

a) \(m_q=4\), aber \(f'(2)=10\); daher ist \(q\) keine Tangente in \(P\). b) \(t(x)=10x-18\) c) \(x_1=1{,}8\)
42272111
Gegeben ist \(f(x)=0{,}25x^4-x^3+5x\). Bestimme mit dem Newton-Verfahren die Stelle \(x^*\in[2;3]\), an der die Steigung des Graphen genau \(2\) beträgt. Verwende für die entstehende Nullstellengleichung den Startwert \(x_0=2{,}5\) und gib \(x^*\) auf zwei Nachkommastellen an.

Denkanstöße

- Welche Funktion beschreibt die Steigung des gegebenen Graphen? - Forme die Bedingung „Steigung gleich 2“ in eine Nullstellengleichung um. - Welche Ableitung gehört zu dieser neuen Nullstellenfunktion? - Verwende den vorgegebenen Startwert und runde erst am Ende auf zwei Dezimalstellen.

Lösung

1. Es gilt \(f'(x)=x^3-3x^2+5\). 2. Die Bedingung \(f'(x)=2\) ist äquivalent zu \(g(x)=x^3-3x^2+3=0\). 3. Für Newton wird außerdem \(g'(x)=3x^2-6x\) benötigt. 4. Mit \(x_0=2{,}5\) folgt \(x_1=2{,}5-\frac{-0{,}125}{3{,}75}=2{,}5333\ldots\). 5. Der nächste Schritt liefert \(x_2\approx2{,}53209\); weitere Schritte ändern die ersten zwei Dezimalstellen nicht mehr. 6. Daher ist \(x^*\approx2{,}53\).

Antwort

\(x^*\approx2{,}53\)
42272211
Der Graph der Funktion \(g(x)=0{,}2x^5-2x^2+4\) besitzt im Intervall \([1{,}5;2{,}5]\) genau eine Stelle \(x^*\), an der die Tangente parallel zur Geraden \(h(x)=3x-1\) verläuft. Bestimme \(x^*\) mit dem Newton-Verfahren auf zwei Dezimalstellen genau. Verwende für die entstehende Nullstellengleichung den Startwert \(x_0=1{,}8\).

Denkanstöße

- Welche Steigung hat die vorgegebene Gerade? - Welche Ableitung der Funktion \(g\) beschreibt die Tangentensteigung? - Forme die Parallelitätsbedingung in eine Nullstellengleichung für eine neue Funktion um. - Wende Newton auf diese neue Funktion an und prüfe, wann die verlangten Dezimalstellen stabil bleiben.

Lösung

1. Die Ableitung lautet \(g'(x)=x^4-4x\). Die Gerade \(h\) hat die Steigung \(3\). 2. Für eine parallele Tangente muss \(g'(x)=3\) gelten. Gesucht ist daher eine Nullstelle von \(F(x)=x^4-4x-3\). 3. Die Ableitung dieser Hilfsfunktion ist \(F'(x)=4x^3-4\). 4. Mit \(x_0=1{,}8\) liefert Newton \(x_1\approx1{,}784603\). 5. Der zweite Schritt ergibt \(x_2\approx1{,}784358\); ein weiterer Schritt ändert die ersten zwei Dezimalstellen nicht mehr. 6. Damit ist \(x^*\approx1{,}78\).

Antwort

\(x^*\approx1{,}78\)
42272311
Die Graphen der Funktionen \(g\) und \(h\) mit \(g(x) = x^3 + x\) und \(h(x) = 6 - x\) schneiden sich an genau einer Stelle \(x^*\). Bestimme einen Näherungswert für \(x^*\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Führe ausgehend vom Startwert \(x_0 = 1{,}5\) zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Bestimme zuerst eine Funktion \(f\), deren Nullstelle die gesuchte \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts ist. - Was muss für die Funktionswerte von \(g\) und \(h\) an der Stelle \(x^*\) gelten? - Erinnere dich an die Iterationsformel des Newton-Verfahrens. - Du benötigst die Ableitungsfunktion von \(f\).

Lösung

1. Definition der Differenzfunktion: \(f(x) = g(x) - h(x) = (x^3 + x) - (6 - x) = x^3 + 2x - 6\). 2. Ableitung bilden: \(f'(x) = 3x^2 + 2\). 3. Erster Iterationsschritt: \(x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)} = 1{,}5 - \frac{1{,}5^3 + 2 \cdot 1{,}5 - 6}{3 \cdot 1{,}5^2 + 2} = 1{,}5 - \frac{0{,}375}{8{,}75} \approx 1{,}4571\). 4. Zweiter Iterationsschritt: \(x_2 = x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)} \approx 1{,}4571 - \frac{0{,}00818\ldots}{8{,}369\ldots} \approx 1{,}4562\).

Antwort

Nach zwei Iterationsschritten ergibt sich der Näherungswert \(x_2 \approx 1{,}4562\).
42272611
Gegeben ist \(g(x)=\frac{1}{2}x^4-x^3+2x^2-x\). Die Funktion besitzt genau ein lokales Minimum. Nähere die Lage dieser Minimalstelle mit dem Newton-Verfahren an. Führe ausgehend von \(x_0=0\) genau zwei Iterationsschritte durch und gib \(x_1\) und \(x_2\) jeweils auf vier Nachkommastellen gerundet an.

Denkanstöße

- Welche Gleichung erfüllt die \(x\)-Koordinate einer Extremstelle? - Welche Funktion wird deshalb mit Newton auf eine Nullstelle untersucht? - Welche Ableitung dieser Hilfsfunktion brauchst du im Nenner? - Rechne für den zweiten Schritt möglichst mit dem exakten ersten Wert.

Lösung

1. Extremstellen von \(g\) sind Nullstellen von \(g'(x)=2x^3-3x^2+4x-1\). 2. Für Newton auf \(g'\) wird \(g''(x)=6x^2-6x+4\) benötigt. 3. Für \(x_0=0\) gilt \(g'(0)=-1\) und \(g''(0)=4\). Daher ist \(x_1=0-\frac{-1}{4}=\frac{1}{4}=0{,}2500\). 4. Für \(x_1=\frac{1}{4}\) gilt \(g'\left(\frac{1}{4}\right)=-\frac{5}{32}\) und \(g''\left(\frac{1}{4}\right)=\frac{23}{8}\). 5. Damit ist \(x_2=\frac{1}{4}-\frac{-5/32}{23/8}=\frac{7}{23}\approx0{,}3043\).

Antwort

\(x_1=0{,}2500\); \(x_2\approx0{,}3043\)
42272911
Gegeben sind die Funktionen \(f\) und \(g\) mit den Funktionstermen \(f(x) = x^3 + 2x + 3\) und \(g(x) = x^2 - 2\). Die Graphen der beiden Funktionen besitzen genau einen Schnittpunkt. Bestimme die \(x\)-Koordinate dieses Schnittpunktes mithilfe des Newton-Verfahrens. Gib das Ergebnis auf drei Dezimalstellen genau an und wähle als Startwert \(x_0 = -1\).

Denkanstöße

- Wann schneiden sich zwei Graphen? Überlege, welche Gleichung du lösen musst. - Wie lautet die allgemeine Formel für das Newton-Verfahren? - Denke daran, die Ableitung der Funktion zu bilden, deren Nullstelle du suchst. - Wiederhole die Berechnung so lange, bis die geforderte Anzahl an Dezimalstellen stabil bleibt.

Lösung

1. Differenzfunktion: \(h(x)=f(x)-g(x)=x^3-x^2+2x+5\). Ein Schnittpunkt liegt genau dann vor, wenn \(h(x)=0\). 2. Ableitung: \(h'(x)=3x^2-2x+2\). 3. Newton-Verfahren mit \(x_0=-1\): \(x_1=-1-\frac{h(-1)}{h'(-1)}=-1-\frac{1}{7}\approx-1{,}142857\) \(x_2\approx-1{,}132552\) \(x_3\approx-1{,}132494\) \(x_4\approx-1{,}132494\) 4. Die letzten beiden Werte stimmen auf drei Dezimalstellen überein. Daher ist \(x\approx-1{,}132\).

Antwort

Die \(x\)-Koordinate des Schnittpunktes ist \(x \approx -1{,}132\).
42909011
Gegeben sind die Funktionen \(f\) mit \(f(x) = x^4\) und \(g\) mit \(g(x) = 2x + 5\). Berechne mithilfe des Newton-Verfahrens die \(x\)-Koordinate des Schnittpunkts der beiden Graphen im Bereich \(x > 0\). Gib das Ergebnis auf zwei Stellen nach dem Komma genau an.

Denkanstöße

- Wie hängen die Schnittpunkte zweier Graphen mit den Nullstellen einer neuen Funktion zusammen? - Findest du durch Probieren ganzzahliger Werte ein Intervall, in dem ein Vorzeichenwechsel stattfindet? - Setze deine Ergebnisse immer wieder in die Iterationsformel ein, bis sich die gewünschten Dezimalstellen nicht mehr ändern. - Achte darauf, dass du im Bereich \(x > 0\) bleibst, wie in der Aufgabe gefordert.

Lösung

1. Aufstellen der Differenzfunktion \(h(x) = f(x) - g(x) = x^4 - 2x - 5\). Für einen Schnittpunkt muss \(h(x) = 0\) gelten. 2. Ableitung der Funktion bilden: \(h'(x) = 4x^3 - 2\). 3. Suche nach einem geeigneten Startwert durch Testen von Werten: \(h(1) = -6\) und \(h(2) = 7\). Da ein Vorzeichenwechsel vorliegt, liegt die Nullstelle im Intervall \([1; 2]\). Gewählter Startwert \(x_0 = 1{,}5\). 4. Erste Iteration: \(x_1 = 1{,}5 - \frac{h(1{,}5)}{h'(1{,}5)} = 1{,}5 - \frac{-2{,}9375}{11{,}5} \approx 1{,}7554\). 5. Zweite Iteration: \(x_2 \approx 1{,}7554 - \frac{0{,}9851}{19{,}6378} \approx 1{,}7053\). 6. Dritte Iteration: \(x_3 \approx 1{,}7053 - \frac{0{,}0456}{17{,}8354} \approx 1{,}7027\). 7. Vierte Iteration: \(x_4 \approx 1{,}7027\). Der auf zwei Dezimalstellen genaue Wert ist \(1{,}70\).

Antwort

\(x \approx 1{,}70\)
42909311
Ein quaderförmiger Wasserbehälter hat die Innenmaße \(4\,\text{dm}\), \(5\,\text{dm}\) und \(10\,\text{dm}\). Jede Kante soll um dieselbe Länge \(x\) vergrößert werden, sodass das neue Volumen genau dreimal so groß ist wie das ursprüngliche. 1. Stelle die Volumenfunktion \(V(x)\) des vergrößerten Quaders auf. 2. Zeige, dass die Bedingung auf die Gleichung \(x^3+19x^2+110x-400=0\) führt. 3. Bestimme \(x\) mit dem Newton-Verfahren auf zwei Dezimalstellen genau. Verwende \(x_0=2\).

Denkanstöße

- Wie verändert sich jede der drei Kantenlängen durch die gemeinsame Verlängerung \(x\)? - Welches Zielvolumen entspricht dem Dreifachen des ursprünglichen Volumens? - Forme die Volumenbedingung in eine Nullstellengleichung um. - Wende Newton auf genau diese Hilfsfunktion an und runde erst das Endergebnis auf zwei Dezimalstellen.

Lösung

1. Das ursprüngliche Volumen beträgt \(4\cdot5\cdot10=200\,\text{dm}^3\); das Zielvolumen ist \(600\,\text{dm}^3\). Daher ist \(V(x)=(4+x)(5+x)(10+x)\). 2. Ausmultiplizieren ergibt \(V(x)=x^3+19x^2+110x+200\). Mit \(V(x)=600\) folgt \(x^3+19x^2+110x-400=0\). 3. Setze \(F(x)=x^3+19x^2+110x-400\). Dann ist \(F'(x)=3x^2+38x+110\). 4. Für \(x_0=2\) ergibt sich \(x_1\approx2{,}485\) und anschließend \(x_2\approx2{,}458\). 5. Weitere Iteration stabilisiert die ersten zwei Dezimalstellen bei \(x\approx2{,}46\,\text{dm}\).

Antwort

1. \(V(x)=(4+x)(5+x)(10+x)\) 2. \(V(x)=600\iff x^3+19x^2+110x-400=0\) 3. \(x\approx2{,}46\,\text{dm}\)
42909411
Gegeben ist die Funktion \(f\) mit \(f(x) = x^3\). Gesucht ist die Stelle \(x > 0\), an der der Graph von \(f\) den geringsten Abstand zum Punkt \(P(5 \mid 0)\) hat. Die Minimierung des Abstandsquadrats führt auf die Bedingung \(3x^5 + x - 5 = 0\). Berechne diese Stelle \(x\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Führe zwei Iterationsschritte ausgehend vom Startwert \(x_0 = 1\) durch und gib das Ergebnis auf drei Dezimalstellen genau an.

Denkanstöße

- Das Newton-Verfahren nutzt die Formel \(x_{n+1} = x_n - \frac{h(x_n)}{h'(x_n)}\). - Leite die gegebene Gleichung \(h(x) = 0\) korrekt ab, um die Steigung für das Verfahren zu erhalten. - Achte darauf, die Zwischenergebnisse nicht zu früh zu runden, um die Genauigkeit am Ende zu gewährleisten.

Lösung

1. Die Funktion für das Newton-Verfahren ist \(h(x) = 3x^5 + x - 5\) mit der Ableitung \(h'(x) = 15x^4 + 1\). 2. Erster Newton-Schritt mit \(x_0 = 1\): \(h(1) = 3(1)^5 + 1 - 5 = -1\) und \(h'(1) = 15(1)^4 + 1 = 16\). Es folgt \(x_1 = 1 - \frac{-1}{16} = 1{,}0625\). 3. Zweiter Newton-Schritt mit \(x_1 = 1{,}0625\): \(h(1{,}0625) \approx 3 \cdot 1{,}3541 + 1{,}0625 - 5 \approx 0{,}1248\) und \(h'(1{,}0625) \approx 15 \cdot 1{,}2744 + 1 \approx 20{,}116\). Es folgt \(x_2 = 1{,}0625 - \frac{0{,}1248}{20{,}116} \approx 1{,}05629\). 4. Auf drei Dezimalstellen gerundet ergibt sich \(x \approx 1{,}056\).

Antwort

Die gesuchte Stelle liegt bei etwa \(x \approx 1{,}056\).
43257111
Die Abbildung zeigt den Graphen einer Funktion \(f\) sowie die Tangente \(t\) an der Stelle \(x_0=3\). Mithilfe des Newton-Verfahrens soll eine Nullstelle angenähert werden. a) Bestimme anhand der Abbildung die erste Näherung \(x_1\) und erkläre kurz das grafische Vorgehen. b) Berechne für \(f(x)=\frac{1}{6}x^3-\frac{2}{3}x^2+\frac{3}{2}x-1\) die Werte \(f(x_1)\) und \(f'(x_1)\). c) Berechne daraus den nächsten Näherungswert \(x_2\).
Abbildung zur Aufgabe 432571

Denkanstöße

- Welcher Punkt der roten Tangente auf der \(x\)-Achse bestimmt den nächsten Newton-Wert? - Verwende den graphisch gefundenen Wert anschließend als Eingabe in Funktion und Ableitung. - Welche beiden Größen werden im Newton-Schritt miteinander kombiniert?

Lösung

1. Die Tangente an der Stelle \(x_0=3\) schneidet die \(x\)-Achse bei \(x=2\). Daher ist \(x_1=2\). 2. Es gilt \(f(2)=\frac{2}{3}\). 3. Die Ableitung lautet \(f'(x)=\frac{1}{2}x^2-\frac{4}{3}x+\frac{3}{2}\), also \(f'(2)=\frac{5}{6}\). 4. Mit der Newton-Formel folgt \(x_2=2-\frac{2/3}{5/6}=2-\frac{4}{5}=1{,}2\).

Antwort

a) \(x_1=2\); der \(x\)-Achsen-Schnittpunkt der Tangente liefert die erste Näherung. b) \(f(2)=\frac{2}{3}\), \(f'(2)=\frac{5}{6}\) c) \(x_2=1{,}2\)
43433911
Die Abbildung zeigt den Graphen der Funktion \(g(x) = 0{,}5x^3 - 2x + 1\). Mit dem Newton-Verfahren sollen die positiven Nullstellen genauer untersucht werden. Die Iterationsvorschrift lautet \(x_{n+1} = x_n - \frac{g(x_n)}{g'(x_n)}\). a) Berechne für den Startwert \(x_0 = 2\) den nächsten Näherungswert \(x_1\). b) Führe ausgehend von \(x_0 = 0\) einen Iterationsschritt durch. Welcher Wert ergibt sich für \(x_1\)? Prüfe anhand des Graphen, ob dieser Wert näher an der zugehörigen Nullstelle liegt. c) Veranschauliche das Newton-Verfahren geometrisch: Was stellt die Gerade dar, deren Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse den Wert \(x_{n+1}\) liefert? Erkläre mithilfe dieser Vorstellung, warum das Verfahren „springt“, wenn der Startwert sehr nah an einem lokalen Minimum oder Maximum gewählt wird.
Abbildung zur Aufgabe 434339

Denkanstöße

- Setze die gegebenen Werte systematisch in die Newton-Formel ein. - Welche Bedeutung hat die Ableitung \(g'(x)\) für die Steigung der Tangente? - Stelle dir die Tangente an verschiedenen Punkten des Graphen vor und prüfe, wo sie die \(x\)-Achse trifft. - Was passiert mit einem Bruch, wenn sein Nenner sehr klein wird?

Lösung

1. Ableitung: \(g'(x) = 1{,}5x^2 - 2\). 2. Für \(x_0 = 2\): \(g(2) = 1\), \(g'(2) = 4\) \(x_1 = 2 - \frac{1}{4} = 1{,}75\) 3. Für \(x_0 = 0\): \(g(0) = 1\), \(g'(0) = -2\) \(x_1 = 0 - \frac{1}{-2} = 0{,}5\) Die zugehörige Nullstelle liegt bei etwa \(0{,}54\); somit ist \(0{,}5\) eine gute Annäherung. 4. Die verwendete Gerade ist die Tangente im Punkt \((x_n \mid g(x_n))\). In der Nähe von Extremstellen ist ihre Steigung sehr klein. Eine fast waagerechte Tangente schneidet die \(x\)-Achse erst weit entfernt, wodurch große Sprünge entstehen.

Antwort

a) Für \(x_0 = 2\) ergibt sich \(x_1 = 1{,}75\). b) Für \(x_0 = 0\) ergibt sich \(x_1 = 0{,}5\). Dieser Wert liegt sehr nah an der tatsächlichen Nullstelle bei etwa \(0{,}54\). c) Das Verfahren nutzt die Tangente am Graphen. Da die Tangente nahe einem Extremum fast waagerecht verläuft, liegt ihr Schnittpunkt mit der \(x\)-Achse sehr weit entfernt, was zu großen Sprüngen führt.
55090911
Die Abbildung zeigt die Graphen von \(f(x)=x^2-1\) und \(g(x)=0{,}5x+1\). a) Schätze die positive \(x\)-Koordinate ihres Schnittpunkts aus der Abbildung. b) Bilde \(h(x)=f(x)-g(x)\) und erkläre, warum der Schnittpunkt einer Nullstelle von \(h\) entspricht. c) Führe für \(h\) mit \(x_0=1{,}5\) zwei Newton-Schritte durch. Gib \(x_1\) und \(x_2\) auf drei Dezimalstellen gerundet an.
Abbildung zur Aufgabe 550909

Denkanstöße

- Suche im Bild die Stelle, an der beide Graphen denselben Funktionswert haben. - Welchen Wert muss die Differenz zweier gleicher Funktionswerte besitzen? - Stelle die Differenzfunktion vollständig auf, bevor du Newton anwendest. - Verwende im zweiten Schritt den ungerundeten ersten Näherungswert.

Lösung

1. Aus der Abbildung lässt sich die positive Schnittstelle ungefähr bei \(x\approx1{,}7\) ablesen. 2. Die Differenzfunktion lautet \(h(x)=x^2-1-(0{,}5x+1)=x^2-0{,}5x-2\). An einem Schnittpunkt gilt \(f(x)=g(x)\), also \(h(x)=0\). 3. Es ist \(h'(x)=2x-0{,}5\). Für \(x_0=1{,}5\) gilt \(h(1{,}5)=-0{,}5\) und \(h'(1{,}5)=2{,}5\), daher \(x_1=1{,}7\). 4. Weiter gilt \(h(1{,}7)=0{,}04\) und \(h'(1{,}7)=2{,}9\). Somit ist \(x_2=1{,}7-\frac{0{,}04}{2{,}9}\approx1{,}6862\). 5. Gerundet erhält man \(x_1=1{,}700\) und \(x_2\approx1{,}686\).

Antwort

a) \(x\approx1{,}7\) b) \(h(x)=x^2-0{,}5x-2\); Schnittpunkte erfüllen genau \(h(x)=0\). c) \(x_1=1{,}700\); \(x_2\approx1{,}686\)
42271711
Gegeben ist \(f(x)=\frac{1}{8}x^4+\frac{3}{2}x^2+5x\). 1. Weise mithilfe der zweiten Ableitung und des Grenzwertverhaltens von \(f'\) nach, dass \(f\) genau eine Extremstelle besitzt. 2. Bestimme die Stelle dieser Extremstelle mit dem Newton-Verfahren auf drei Dezimalstellen genau. Verwende \(x_0=-1\).

Denkanstöße

- Welche Aussage über \(f'\) folgt daraus, dass \(f''\) überall positiv ist? - Wie helfen die Grenzwerte von \(f'\) zusammen mit strenger Monotonie bei der Anzahl seiner Nullstellen? - Für die Extremstelle suchst du eine Nullstelle welcher Funktion? - Welche Ableitung dieser Funktion steht dann im Nenner des Newton-Schritts?

Lösung

1. Die erste Ableitung ist \(f'(x)=\frac{1}{2}x^3+3x+5\), die zweite Ableitung \(f''(x)=\frac{3}{2}x^2+3\). 2. Für alle \(x\in\mathbb{R}\) gilt \(f''(x)>0\). Daher ist \(f'\) streng monoton steigend. 3. Außerdem gilt \(\lim_{x\to-\infty}f'(x)=-\infty\) und \(\lim_{x\to\infty}f'(x)=\infty\). Somit besitzt \(f'\) genau eine Nullstelle und \(f\) genau eine Extremstelle; wegen \(f''>0\) ist sie ein Minimum. 4. Für die Nullstelle von \(f'\) wird Newton mit \(f''\) im Nenner angewendet. Aus \(x_0=-1\) folgen \(x_1\approx-1{,}3333\), \(x_2\approx-1{,}3006\) und \(x_3\approx-1{,}3003\). 5. Weiteres Iterieren stabilisiert die ersten drei Dezimalstellen bei \(x\approx-1{,}300\).

Antwort

1. \(f'\) ist wegen \(f''(x)>0\) streng monoton steigend und nimmt Werte von \(-\infty\) bis \(+\infty\) an; daher besitzt \(f\) genau eine Extremstelle, ein Minimum. 2. Die Extremstelle liegt bei \(x\approx-1{,}300\).
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Betrachtet wird die Funktion \(g(x) = x^4 - 2x^3 - 2\). 1. Begründe, warum \(g\) im Intervall \([2; 3]\) mindestens eine Nullstelle besitzt. 2. Berechne diese Nullstelle näherungsweise mit dem Newton-Verfahren. Führe zwei Iterationsschritte mit dem Startwert \(x_0 = 2\) durch. 3. Bestimme eine Nullstelle der zweiten Ableitung \(g''\) mithilfe des Newton-Verfahrens. Wähle den Startwert \(x_0 = 2\) und führe zwei Iterationsschritte durch.

Denkanstöße

- Erinnere dich an den Zwischenwertsatz für den Nachweis von Nullstellen. - Wenn du das Newton-Verfahren auf \(g''\) anwendest, welche Funktion bildet dann die Grundlage für die Iterationsformel? - Überprüfe deine Ableitungen sorgfältig, bevor du mit den Berechnungen beginnst. - Runde deine Zwischenergebnisse sinnvoll, um die Genauigkeit zu wahren.

Lösung

1. Die Funktion \(g\) ist als Polynomfunktion stetig. Es gilt \(g(2) = 2^4 - 2 \cdot 2^3 - 2 = 16 - 16 - 2 = -2\) und \(g(3) = 3^4 - 2 \cdot 3^3 - 2 = 81 - 54 - 2 = 25\). Da ein Vorzeichenwechsel vorliegt, muss nach dem Zwischenwertsatz mindestens eine Nullstelle im Intervall existieren. 2. Ableitung: \(g'(x) = 4x^3 - 6x^2\). Erster Schritt: \(x_1 = 2 - \frac{-2}{4 \cdot 8 - 6 \cdot 4} = 2 - \frac{-2}{8} = 2{,}25\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 2{,}25 - \frac{2{,}25^4 - 2 \cdot 2{,}25^3 - 2}{4 \cdot 2{,}25^3 - 6 \cdot 2{,}25^2} \approx 2{,}25 - \frac{0{,}8477}{15{,}1875} \approx 2{,}1942\). 3. Zweite Ableitung: \(h(x) = g''(x) = 12x^2 - 12x\). Ableitung hiervon: \(h'(x) = 24x - 12\). Erster Schritt: \(x_1 = 2 - \frac{12 \cdot 2^2 - 12 \cdot 2}{24 \cdot 2 - 12} = 2 - \frac{24}{36} \approx 1{,}3333\). Zweiter Schritt: \(x_2 = 1{,}3333 - \frac{12 \cdot 1{,}3333^2 - 12 \cdot 1{,}3333}{24 \cdot 1{,}3333 - 12} = 1{,}3333 - \frac{5{,}3333}{20} \approx 1{,}0667\).

Antwort

1. Da \(g(2) < 0\) und \(g(3) > 0\) gilt und die Funktion stetig ist, existiert nach dem Zwischenwertsatz mindestens eine Nullstelle im Intervall. 2. Die Näherung für die Nullstelle von \(g\) nach zwei Schritten ist \(x_2 \approx 2{,}1942\). 3. Die Näherung für die Nullstelle von \(g''\) nach zwei Schritten ist \(x_2 \approx 1{,}0667\).
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Zur Untersuchung einer Funktion vierten Grades wird ihre erste Ableitung \(g(x)=x^3-3x^2+1\) betrachtet. In der Abbildung sind außerdem der Graph von \(d(x)=g'(x)=3x^2-6x\) und der Graph von \(g\) dargestellt. a) Bestimme die Nullstelle von \(g\) im Intervall \([2;3]\) näherungsweise mit zwei Newton-Schritten ausgehend von \(x_0=3\). Runde \(x_1\) und \(x_2\) auf drei Dezimalstellen. b) Begründe anhand des Graphen von \(d\), warum \(x_0=2\) für die Newton-Suche nach einer Nullstelle von \(g\) ungeeignet ist.
Abbildung zur Aufgabe 434357

Denkanstöße

- Welche der beiden dargestellten Funktionen steht im Nenner des Newton-Schritts für \(g\)? - Lies im Graphen von \(d\) den Wert bei \(x=2\) ab. - Welche geometrische Bedeutung hat ein Ableitungswert von null für den Graphen von \(g\)?

Lösung

1. Für Newton auf \(g\) wird \(g'(x)=d(x)=3x^2-6x\) benötigt. 2. Für \(x_0=3\) gilt \(g(3)=1\) und \(g'(3)=9\). Daher ist \(x_1=3-\frac{1}{9}\approx2{,}889\). 3. Mit dem ungerundeten ersten Wert folgt \(x_2\approx2{,}879\). 4. Bei \(x=2\) gilt \(d(2)=g'(2)=0\). Der Nenner der Newton-Formel wäre daher null. 5. Geometrisch bedeutet \(g'(2)=0\), dass der Graph von \(g\) dort eine waagrechte Tangente besitzt; ein Newton-Schritt ist nicht definiert.

Antwort

a) \(x_1\approx2{,}889\); \(x_2\approx2{,}879\) b) Bei \(x_0=2\) gilt \(d(2)=g'(2)=0\); der Newton-Schritt ist wegen Division durch null nicht definiert.

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