Fortgeschritten Mathematik & Logik 5 Punkte · ~15 Min.

Ableitungsregeln bei Exponentialfunktionen

Aufgabenstellung

Gegeben ist die Funktion ff mit f(x)=(2x−1)⋅e−xf(x) = (2x - 1) \cdot e^{-x}, x∈Rx \in \mathbb{R}.

  • (a) Bestimmen Sie f′(x)f'(x) und ermitteln Sie die Koordinaten des Extrempunkts von ff.
  • (b) Begründen Sie, dass lim⁡x→∞f(x)=0\lim_{x \to \infty} f(x) = 0 gilt, und geben Sie lim⁡x→−∞f(x)\lim_{x \to -\infty} f(x) an.

Lösungsweg

Schritt 1: Ableitung mit Produktregel

Mit u(x)=2x−1u(x) = 2x - 1, u′(x)=2u'(x) = 2, v(x)=e−xv(x) = e^{-x}, v′(x)=−e−xv'(x) = -e^{-x} ergibt sich:

f′(x)=u′(x)⋅v(x)+u(x)⋅v′(x)f'(x) = u'(x) \cdot v(x) + u(x) \cdot v'(x)

f′(x)=2⋅e−x+(2x−1)⋅(−e−x)f'(x) = 2 \cdot e^{-x} + (2x - 1) \cdot (-e^{-x})

f′(x)=e−x⋅(2−(2x−1))f'(x) = e^{-x} \cdot \bigl(2 - (2x - 1)\bigr)

f′(x)=(3−2x)⋅e−x\boxed{f'(x) = (3 - 2x) \cdot e^{-x}}

Schritt 2: Extremstelle bestimmen

Notwendige Bedingung: f′(x)=0f'(x) = 0

Da e−x>0e^{-x} > 0 für alle xx, gilt:

3−2x=0⟹x=1,53 - 2x = 0 \quad \Longrightarrow \quad x = 1{,}5

Vorzeichenwechsel: Für x<1,5x < 1{,}5 ist f′(x)>0f'(x) > 0 (steigend), für x>1,5x > 1{,}5 ist f′(x)<0f'(x) < 0 (fallend).

Also liegt bei x=1,5x = 1{,}5 ein Maximum vor.

f(1,5)=(2⋅1,5−1)⋅e−1,5=2⋅e−1,5≈0,4463f(1{,}5) = (2 \cdot 1{,}5 - 1) \cdot e^{-1{,}5} = 2 \cdot e^{-1{,}5} \approx 0{,}4463

Hochpunkt H(1,5∣2⋅e−1,5)≈H(1,5∣0,45)\boxed{\text{Hochpunkt } H(1{,}5 \mid 2 \cdot e^{-1{,}5}) \approx H(1{,}5 \mid 0{,}45)}

Schritt 3: Grenzwerte

Für x→∞x \to \infty: Der Faktor e−xe^{-x} fällt exponentiell gegen 00, während (2x−1)(2x - 1) nur linear wächst. Exponentielles Fallen dominiert lineares Wachstum, daher:

lim⁡x→∞f(x)=0\boxed{\lim_{x \to \infty} f(x) = 0}

Für x→−∞x \to -\infty: Es gilt e−x→∞e^{-x} \to \infty und (2x−1)→−∞(2x - 1) \to -\infty. Das Produkt strebt gegen −∞-\infty:

lim⁡x→−∞f(x)=−∞\boxed{\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty}

Ergebnis

FrageAntwort
Ableitungf′(x)=(3−2x)⋅e−xf'(x) = (3 - 2x) \cdot e^{-x}
ExtrempunktHochpunkt H(1,5∣2e−1,5)≈(1,5∣0,45)H(1{,}5 \mid 2e^{-1{,}5}) \approx (1{,}5 \mid 0{,}45)
lim⁡x→∞f(x)\lim_{x \to \infty} f(x)00
lim⁡x→−∞f(x)\lim_{x \to -\infty} f(x)−∞-\infty