Gebrochen-rationale Funktionen – Eigenschaften und Asymptoten

Mathematik FOS/BOS 12 · Bayern · Weitere Funktionen (Technik)

Eine gebrochen-rationale Funktion ist ein Quotient zweier Polynome. Neu gegenüber ganzrationalen Funktionen sind die Definitionslücken und die Asymptoten – genau darum geht es hier.

Hilfsmittel-Hinweis (Bayern FOS/BOS): Definitionsmenge, Art der Definitionslücken, Grenzwerte (Limesschreibweise) und Asymptoten (auch per Polynomdivision) sind hilfsmittelfrei zu beherrschen. Keine CAS-Befehle.

1  Definition und Definitionsmenge

Gebrochen-rationale Funktion. \(f(x)=\dfrac{Z(x)}{N(x)}\) mit Zählerpolynom (Z(x)) und Nennerpolynom (N(x)), (N(x)notequiv 0).

  • echt gebrochen-rational: Grad von (Z) kleiner als Grad von (N)
  • unecht gebrochen-rational: Grad von (Z) größer oder gleich dem Grad von (N)

Die Definitionsmenge schließt die Nennernullstellen aus: \(D_f=\mathbb{R}setminus{xmid N(x)=0}\).

Beispiel A. \(f(x)=\dfrac{x}{x^{2}-1}\).

\(N(x)=x^{2}-1=0\Rightarrow x=\pm1\) Nennernullstellen
\(D_f=\mathbb{R}setminus{-1;,1}\); Grad \(Z=1 \lt 2=\) Grad (NRightarrow) echt gebrochen-rational

2  Arten von Definitionslücken

An einer Nennernullstelle \(x_0\) entscheidet der Zähler über die Art der Lücke:

Polstelle (Unendlichkeitsstelle)

Ist \(N(x_0)=0\), aber \(Z(x_0)\neq0\), liegt eine Polstelle vor: (|f(x)|toinfty). Die Gerade \(x=x_0\) ist senkrechte Asymptote. Die Ordnung (Vielfachheit der Nennernullstelle) bestimmt das Verhalten:

  • ungerade Ordnung → mit Vorzeichenwechsel (die beiden Äste laufen in entgegengesetzte Richtungen), z. B. \(\tfrac 1x\)
  • gerade Ordnung → ohne Vorzeichenwechsel (beide Äste laufen in dieselbe Richtung), z. B. \(\tfrac 1{x^2}\)
-3-2-1123-3-2-1123f(x)=1/xx=0y=0
-3-2-11231234f(x)=1/x²

Links \(f(x)=\tfrac 1x\) (Polstelle mit VZW, Ordnung 1); rechts \(f(x)=\tfrac 1{x^2}\) (Polstelle ohne VZW, Ordnung 2). Beide: senkrechte Asymptote \(x=0\), waagerechte \(y=0\).

Grenzwert-Schreibweise. Man beschreibt das Verhalten links-/rechtsseitig, z. B. bei \(\tfrac 1x\): \(limlimits_{xto0^-}\tfrac 1x=-\infty\), \(limlimits_{xto0^+}\tfrac 1x=+\infty\).

Stetig behebbare (hebbare) Lücke

Haben Zähler und Nenner an \(x_0\) eine gemeinsame Nullstelle, lässt sich der Bruch kürzen. Dann ist \(x_0\) eine stetig behebbare Lücke – der Graph hat dort nur ein „Loch“, keine Polstelle.

Beispiel B. \(f(x)=\dfrac{x^{2}-1}{x-1}\); \(D_f=\mathbb{R}setminus{1}\).

\(f(x)=\dfrac{(x-1)(x+1)}{x-1}=x+1\quad(xneq1)\) kürzen
\(limlimits_{xto1}f(x)=2\Rightarrow\) Loch bei \((1\mid2)\) keine Polstelle
-3-2-1123-2-11234Loch (1|2)f(x)=(x²-1)/(x-1)=x+1
Nach dem Kürzen bleibt die Gerade \(y=x+1\) – mit einem Loch bei \((1\mid2)\).

3  Verhalten im Unendlichen: waagerechte und schräge Asymptoten

Das Verhalten für (xtopminfty) hängt vom Gradvergleich von Zähler und Nenner ab:

Gradvergleich Asymptote für (xtopminfty)
Grad (Z) < Grad (N) waagerechte Asymptote \(y=0\)
Grad (Z) = Grad (N) waagerechte Asymptote \(y=\dfrac{\text{Leitkoeffizient von }Z}{\text{Leitkoeffizient von }N}\)
Grad (Z) = Grad (N) + 1 schräge Asymptote (per Polynomdivision)
Grad (Z) \(\ge\) Grad (N) + 2 keine Geraden-Asymptote (näherungsweise ganzrationaler Verlauf)

Stufe 2-3 · hilfsmittelfreiWaagerechte Asymptote

Beispiel C. \(f(x)=\dfrac{2x^{2}+1}{x^{2}+1}\): Grad \(Z=\) Grad \(N=2\).

waagerechte Asymptote \(y=\dfrac{2}{1}=2\)  (Quotient der Leitkoeffizienten)

Stufe 3-4 · AusbauSchräge Asymptote per Polynomdivision

Beispiel D. \(f(x)=\dfrac{x^{2}+1}{x}\): Grad \(Z=2=\) Grad (N+1).

Polynomdivision (gemischter Bruchterm)

\((x^{2}+1):x=x+\dfrac{1}{x}\) also \(f(x)=x+\tfrac 1x\)

Grenzverhalten

für (xtopminfty) gilt \(\tfrac 1xto0\Rightarrow f(x)\to x\) schräge Asymptote \(y=x\)
-4-224-4-224y=xf(x)=x+1/x
\(f(x)=x+\tfrac 1x\): senkrechte Asymptote \(x=0\), schräge Asymptote \(y=x\).

4  Nullstellen, Achsenschnittpunkte und Symmetrie

  • Nullstellen: \(Z(x)=0\) und \(N(x)\neq0\) (Zähler null, aber keine gemeinsame Nullstelle mit dem Nenner).
  • (y)-Achsenabschnitt: (f(0)) \(falls (0\in D_f)\).
  • Symmetrie: \(f(-x)=f(x)\) achsensymmetrisch zur (y)-Achse; \(f(-x)=-f(x)\) punktsymmetrisch zum Ursprung.

Beispiel E. \(f(x)=\dfrac{x}{x^{2}-1}\): Zähler \(x=0\Rightarrow\) Nullstelle bei \(x=0\); \(f(-x)=\dfrac{-x}{x^{2}-1}=-f(x)\Rightarrow\) punktsymmetrisch zum Ursprung.

Typische Fehler in der Prüfung

✗ Falsch

Jede Nennernullstelle als Polstelle deuten.

✓ Richtig

Nur wenn der Zähler dort nicht null ist. Gemeinsame Nullstelle → kürzen → hebbare Lücke.

✗ Falsch

Bei jeder Polstelle einen Vorzeichenwechsel annehmen.

✓ Richtig

VZW nur bei ungerader Ordnung \((\tfrac 1x)\); bei gerader Ordnung \((\tfrac 1{x^2})\) laufen beide Äste gleich.

✗ Falsch

Waagerechte Asymptote immer als \(y=0\).

✓ Richtig

Nur bei Grad \(Z \lt \) Grad (N). Bei gleichem Grad: \(y=\) Quotient der Leitkoeffizienten; bei Grad \(Z=\)Grad(N+1): schräge Asymptote.

✗ Falsch

Zählernullstellen ungeprüft als Nullstellen von (f) angeben.

✓ Richtig

Nur wenn dort \(N(x)\neq0\) – sonst ist es eine hebbare Lücke, keine Nullstelle.

Auf einen Blick

  • Definitionsmenge: Nennernullstellen ausschließen.
  • Definitionslücken: Polstelle \(Zähler (\neq0)\) mit/ohne VZW je Ordnung; hebbare Lücke (kürzbar).
  • Asymptoten ((xtopminfty)): Gradvergleich → waagerecht \((y=0) bzw. Leitkoeff.-Quotient\) oder schräg (Polynomdivision).
  • Nullstellen: \(Z=0\) und \(Nneq0\); Symmetrie wie gewohnt prüfen.

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Trainieren Sie Definitionsmenge, Polstellen, hebbare Lücken und Asymptoten gebrochen-rationaler Funktionen – für die FOS/BOS 12 Bayern (Technik).

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