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值域zhíyù

Wertebereich
4 Min. Lesezeit
Aktualisiert 24. Januar 2025
Vollständig

Kernkonzept

Der Wertebereich einer Funktion ff ist die Menge aller möglichen Ausgabewerte (y-Werte), die die Funktion erzeugen kann.

Mathematische Definition

Wertebereich(f)={y∣y=f(x) fu¨r ein x∈Definitionsbereich(f)}\text{Wertebereich}(f) = \{y \mid y = f(x) \text{ für ein } x \in \text{Definitionsbereich}(f)\}

Der Wertebereich wird auch als Bild der Funktion bezeichnet.

Definitionsbereich vs. Wertebereich

KonzeptSymbolBeschreibung
DefinitionsbereichDfD_fMenge aller gültigen Eingabewerte (x)
WertebereichRfR_fMenge aller Ausgabewerte (y)

Wichtige Beziehung: Der Wertebereich hängt sowohl von der Funktionsvorschrift ALS AUCH vom Definitionsbereich ab.

Methoden zur Bestimmung des Wertebereichs

Methode 1: Direkte Analyse (观察法)

Bei einfachen Funktionen das Verhalten direkt analysieren.

Beispiel: f(x)=x2f(x) = x^2, x∈Rx \in \mathbb{R}

Da x2≥0x^2 \geq 0 für alle reellen xx, und x2x^2 beliebig groß werden kann:

Wertebereich: [0,+∞)[0, +\infty)

Methode 2: Umkehrfunktionsmethode (反函数法)

  1. Setze y=f(x)y = f(x)
  2. Löse nach xx in Abhängigkeit von yy auf
  3. Finde die Werte von yy, für die xx definiert ist

Beispiel: f(x)=2x+1x−1f(x) = \dfrac{2x + 1}{x - 1}, x≠1x \neq 1

Setze y=2x+1x−1y = \dfrac{2x + 1}{x - 1}

Löse nach xx auf: y(x−1)=2x+1y(x - 1) = 2x + 1 xy−y=2x+1xy - y = 2x + 1 xy−2x=y+1xy - 2x = y + 1 x(y−2)=y+1x(y - 2) = y + 1 x=y+1y−2x = \dfrac{y + 1}{y - 2}

Damit xx existiert, muss y≠2y \neq 2 gelten.

Wertebereich: {y∣y≠2}=(−∞,2)∪(2,+∞)\{y \mid y \neq 2\} = (-\infty, 2) \cup (2, +\infty)

Methode 3: Monotoniemethode (单调性法)

Nutze die Monotonie der Funktion, um den Wertebereich aus dem Definitionsbereich abzuleiten.

Beispiel: f(x)=2xf(x) = 2^x, x∈[−1,2]x \in [-1, 2]

Da f(x)=2xf(x) = 2^x streng monoton steigend ist:

  • Minimum: f(−1)=2−1=12f(-1) = 2^{-1} = \dfrac{1}{2}
  • Maximum: f(2)=22=4f(2) = 2^2 = 4

Wertebereich: [12,4][\dfrac{1}{2}, 4]

Methode 4: Quadratische Ergänzung (配方法)

Für quadratische Funktionen f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c.

Beispiel: f(x)=x2−4x+5f(x) = x^2 - 4x + 5, x∈Rx \in \mathbb{R}

Quadratische Ergänzung: f(x)=(x−2)2+1f(x) = (x - 2)^2 + 1

Da (x−2)2≥0(x - 2)^2 \geq 0, ist das Minimum 1 bei x=2x = 2.

Wertebereich: [1,+∞)[1, +\infty)

Methode 5: Substitution (换元法)

Beispiel: f(x)=x+x−1f(x) = x + \sqrt{x - 1}, x≥1x \geq 1

Setze t=x−1t = \sqrt{x - 1}, wobei t≥0t \geq 0

Dann ist x=t2+1x = t^2 + 1, also: f=t2+1+t=t2+t+1=(t+12)2+34f = t^2 + 1 + t = t^2 + t + 1 = (t + \dfrac{1}{2})^2 + \dfrac{3}{4}

Da t≥0t \geq 0, tritt das Minimum bei t=0t = 0 auf: fmin⁡=0+0+1=1f_{\min} = 0 + 0 + 1 = 1

Wertebereich: [1,+∞)[1, +\infty)

CSCA-Übungsaufgaben

💡 Hinweis: Die folgenden Übungsaufgaben basieren auf dem CSCA-Prüfungslehrplan.

Beispiel 1: Grundlegend (Schwierigkeitsgrad ★★☆☆☆)

Bestimme den Wertebereich von f(x)=3x−2f(x) = 3x - 2, x∈[0,4]x \in [0, 4].

Lösung: Die lineare Funktion ist streng monoton steigend.

  • Bei x=0x = 0: f(0)=−2f(0) = -2
  • Bei x=4x = 4: f(4)=10f(4) = 10

Antwort: [−2,10][-2, 10]


Beispiel 2: Mittelstufe (Schwierigkeitsgrad ★★★☆☆)

Bestimme den Wertebereich von f(x)=x2−2x+3f(x) = x^2 - 2x + 3, x∈[−1,2]x \in [-1, 2].

Lösung:

Quadratische Ergänzung: f(x)=(x−1)2+2f(x) = (x - 1)^2 + 2

Scheitelpunkt bei x=1x = 1 (im Definitionsbereich), Minimum = 2

Endpunkte überprüfen:

  • f(−1)=1+2+3=6f(-1) = 1 + 2 + 3 = 6
  • f(2)=4−4+3=3f(2) = 4 - 4 + 3 = 3

Antwort: [2,6][2, 6]


Beispiel 3: Fortgeschritten (Schwierigkeitsgrad ★★★★☆)

Bestimme den Wertebereich von f(x)=x2+1x2+2f(x) = \dfrac{x^2 + 1}{x^2 + 2}, x∈Rx \in \mathbb{R}.

Lösung:

Setze y=x2+1x2+2y = \dfrac{x^2 + 1}{x^2 + 2}

Kreuzweise multiplizieren: y(x2+2)=x2+1y(x^2 + 2) = x^2 + 1

yx2+2y=x2+1yx^2 + 2y = x^2 + 1

x2(y−1)=1−2yx^2(y - 1) = 1 - 2y

x2=1−2yy−1x^2 = \dfrac{1 - 2y}{y - 1}

Für reelle xx muss x2≥0x^2 \geq 0 gelten: 1−2yy−1≥0\dfrac{1 - 2y}{y - 1} \geq 0

(1−2y)(1 - 2y) und (y−1)(y - 1) müssen gleiches Vorzeichen haben.

  • Fall 1: Beide positiv: y<12y < \dfrac{1}{2} und y>1y > 1 → unmöglich
  • Fall 2: Beide negativ: y>12y > \dfrac{1}{2} und y<1y < 1 → 12<y<1\dfrac{1}{2} < y < 1

Außerdem: Wenn x2→+∞x^2 \to +\infty, dann y→1y \to 1 (nie gleich 1). Bei x=0x = 0: y=12y = \dfrac{1}{2} (erreichbar).

Antwort: [12,1)[\dfrac{1}{2}, 1)

Häufige Fehler

❌ Fehler 1: Definitionsbereichsbeschränkungen ignorieren

Falsch: Der Wertebereich von f(x)=xf(x) = \sqrt{x} ist R\mathbb{R} ✗

Richtig: Der Wertebereich von f(x)=xf(x) = \sqrt{x} ist [0,+∞)[0, +\infty) ✓

❌ Fehler 2: Falsche Methode bei beschränktem Definitionsbereich

Falsch: Für f(x)=x2f(x) = x^2, x∈[1,3]x \in [1, 3], ist der Wertebereich [0,9][0, 9] ✗

Richtig: Der Wertebereich ist [1,9][1, 9] (Minimum bei x=1x = 1, nicht bei x=0x = 0) ✓

❌ Fehler 3: Endpunkte nicht überprüft

Überprüfe stets die Funktionswerte an den Definitionsbereichsgrenzen.

Lerntipps

  1. ✅ Funktionstyp zuerst bestimmen: Linear, quadratisch, rational usw.
  2. ✅ Prüfen, ob der Definitionsbereich beschränkt ist: Bei Beschränkung die Monotonie nutzen
  3. ✅ Bei quadratischen Funktionen den Scheitelpunkt finden: Liegt er im Definitionsbereich?
  4. ✅ Bei Bruchfunktionen die Umkehrmethode nutzen: xx in Abhängigkeit von yy lösen

💡 Prüfungstipp: Bei beschränktem Definitionsbereich immer sowohl den Scheitelpunkt (bei quadratischen Funktionen) ALS AUCH die Endpunkte überprüfen!

Practice Exercises

Practice to reinforce your understanding