Grenzverhalten und Stetigkeit

Limits and Continuity

Mathematik Klasse 11 20 Aufgaben
AnalysisGrenzwerteStetigkeitKerncurriculum

Das Grenzverhalten einer Funktion für x → ±∞ sagt, wohin ihre Werte streben; getragen wird der Grenzwertbegriff von der Streifen-Vorstellung — jeder noch so schmale Streifen um den Grenzwert fängt den Graphen irgendwann ein. Das verbreitete Fehlbild „der Grenzwert wird nie erreicht" ist damit ausgeräumt (Tall & Vinner 1981: Konzeptbild vs. Definition). Stetigkeit heißt anschaulich „keine Sprünge", auch bei stückweise definierten Funktionen. Darauf bauen Asymptoten und der Grenzübergang zur Ableitung.

Leicht
Multiple Choice #1 15s ▶ Testen

Für welche Funktion gilt lim(x→+∞) f(x) = 3?

  • ○ f(x) = 3x
  • ○ f(x) = 1/(x − 3)
  • ● f(x) = 3 + 1/x
lim(x→+∞) f(x) = 3 heißt: Für immer größere x kommen die Funktionswerte beliebig nahe an 3 heran. Bei 3 + 1/x wird 1/x beliebig klein. 3x wächst über alle Grenzen; 1/(x − 3) hat bei x = 3 einen Pol und strebt für x → +∞ gegen 0.
Wahr / Falsch #2 20s ▶ Testen

Jede ganzrationale Funktion vom Grad n ≥ 1 divergiert für x → +∞.

✓ Wahr
Richtig. Bei ganzrationalen Funktionen bestimmt der führende Term das Verhalten für x → ±∞. Da der führende Koeffizient ≠ 0 ist, strebt |f(x)| → ∞.
Lückentext #3 15s ▶ Testen

Für f(x) = 5x³ − 2x gilt: lim(x→+∞) f(x) = ___

✓ Antwort: +∞
Der führende Term 5x³ dominiert. Da der Koeffizient 5 > 0 und der Grad ungerade ist, gilt f(x) → +∞ für x → +∞.
Zahleneingabe #4 20s ▶ Testen

Für f(x) = −3x⁴ + 7x² − 1: Was ist der Grenzwert lim(x→−∞) f(x)? Gib −∞ als -999 an.

✓ Antwort: -999
Der führende Term ist −3x⁴. Da x⁴ immer positiv ist und der Koeffizient −3 negativ, gilt f(x) → −∞ für x → −∞.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Die Funktion f(x) = 1/x konvergiert für x → +∞ gegen 0.

✓ Wahr
Richtig. Für x → +∞ wird 1/x immer kleiner und nähert sich beliebig nah an 0 an: lim(x→+∞) 1/x = 0.
Lückentext #6 15s ▶ Testen

Für f(x) = 2x⁵ − x gilt: lim(x→−∞) f(x) = ___

✓ Antwort: -∞
Der führende Term ist 2x⁵. Für x → −∞ ist x⁵ → −∞, also 2x⁵ → −∞.
Lückentext #7 15s ▶ Testen

Für f(x) = −x⁶ + 4x³ gilt: lim(x→+∞) f(x) = ___

✓ Antwort: -∞
Der führende Term −x⁶ dominiert. Da x⁶ → +∞ und der Koeffizient −1 negativ ist, gilt f(x) → −∞.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Eine Funktion divergiert für x → +∞. Was bedeutet das?

  • ● Die Funktion besitzt keinen endlichen Grenzwert für x → +∞.
  • ○ Die Funktion ist nicht stetig.
  • ○ Die Funktion hat keine Nullstelle.
  • ○ Die Funktion ist nicht differenzierbar.
Divergenz bedeutet, dass kein endlicher Grenzwert existiert. Die Funktionswerte können gegen ±∞ streben oder beliebig schwanken.
Mittel
Multiple Choice #1 30s ▶ Testen

Welche Funktion ist an der Stelle x = 0 NICHT stetig?

  • ○ f(x) = x² + 1
  • ○ f(x) = |x|
  • ● f(x) = { x+1 für x < 0; x−1 für x ≥ 0 }
  • ○ f(x) = sin(x)
Für x → 0⁻ ergibt sich 0+1 = 1, für x = 0 ergibt sich 0−1 = −1. Da die Grenzwerte nicht übereinstimmen, ist f an x = 0 nicht stetig.
Multiple Choice #2 25s ▶ Testen

Welche Aussage zur Stetigkeit ist richtig?

  • ● Jede Polynomfunktion ist auf ganz ℝ stetig.
  • ○ Stetige Funktionen haben immer Nullstellen.
  • ○ Stetigkeit bedeutet, dass f'(x) existiert.
  • ○ Stetige Funktionen sind immer monoton.
Polynomfunktionen sind auf ganz ℝ stetig, da sie keine Sprünge oder Lücken aufweisen. Die anderen Aussagen sind falsch (z. B. f(x) = x² + 1 hat keine Nullstelle, ist aber stetig).
Multiple Choice #3 25s ▶ Testen

Was beschreibt die Streifen-Vorstellung bei der Konvergenz?

  • ● Ab einem bestimmten x-Wert verlässt der Graph einen beliebig schmalen Streifen um den Grenzwert nicht mehr.
  • ○ Die Funktion hat einen horizontalen Streifen als Definitionsbereich.
  • ○ Der Graph einer konvergenten Funktion liegt immer innerhalb eines Streifens.
  • ○ Die Ableitung bleibt innerhalb eines Streifens um 0.
Dies ist die anschauliche Epsilon-Vorstellung: Egal wie schmal man den Streifen um den Grenzwert wählt, ab einem bestimmten x₀ bleibt der Graph in diesem Streifen.
Wahr / Falsch #4 20s ▶ Testen

Die Funktion f(x) = (−1)ˣ konvergiert für x → +∞ (x ∈ ℤ).

✓ Falsch
Falsch. f springt zwischen −1 und +1 hin und her. Da sich die Funktionswerte keinem festen Wert annähern, divergiert f.
Zahleneingabe #5 30s ▶ Testen

Gegeben: f(x) = { 2x+1 für x < 1; ax für x ≥ 1 }. Welchen Wert muss a haben, damit f an x = 1 stetig ist?

✓ Antwort: 3
Stetigkeit erfordert lim(x→1⁻) f(x) = f(1). lim(x→1⁻) = 2·1+1 = 3. f(1) = a·1 = a. Also a = 3.
Wahr / Falsch #6 25s ▶ Testen

Die abschnittsweise definierte Funktion f(x) = { x² für x ≤ 2; 4 für x > 2 } ist an der Stelle x = 2 stetig.

✓ Wahr
Richtig. lim(x→2⁻) = 2² = 4 und f(2) = 2² = 4 und lim(x→2⁺) = 4. Alle stimmen überein, also ist f stetig bei x = 2.
Multiple Choice #7 15s ▶ Testen

Welche Art von Unstetigkeit liegt bei f(x) = {1 für x ≤ 0; 2 für x > 0} an x = 0 vor?

  • ● Sprungstelle (Sprungunstetigkeit)
  • ○ Hebbare Lücke
  • ○ Polstelle
  • ○ Oszillierende Unstetigkeit
lim(x→0⁻) = 1 und lim(x→0⁺) = 2. Die links- und rechtsseitigen Grenzwerte existieren, sind aber verschieden → Sprungstelle.
Zahleneingabe #8 20s ▶ Testen

Bestimme lim(x→2) (x² − 4)/(x − 2).

✓ Antwort: 4
(x²−4)/(x−2) = (x−2)(x+2)/(x−2) = x+2 für x ≠ 2. lim(x→2) (x+2) = 4.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Der Zwischenwertsatz besagt: Ist f stetig auf [a,b] und gilt f(a) < 0 < f(b), dann hat f mindestens eine Nullstelle in (a,b).

✓ Wahr
Richtig. Stetige Funktionen nehmen auf einem abgeschlossenen Intervall jeden Wert zwischen f(a) und f(b) an.
Lückentext #10 15s ▶ Testen

lim(x→0) sin(x)/x = ___.

✓ Antwort: 1
Dies ist ein fundamentaler Grenzwert der Analysis. Er wird oft geometrisch über Flächenvergleiche am Einheitskreis begründet.
Multiple Choice #11 20s ▶ Testen

Die Funktion f(x) = 1/x² hat bei x = 0:

  • ● eine Polstelle ohne Vorzeichenwechsel (f→+∞ von beiden Seiten)
  • ○ eine Sprungstelle
  • ○ eine hebbare Lücke
  • ○ eine Polstelle mit Vorzeichenwechsel
1/x² > 0 für alle x ≠ 0 und 1/x² → +∞ für x → 0. Es gibt keinen Vorzeichenwechsel.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Gegeben f(x) = { x+3 für x < 2; 2x+c für x ≥ 2 }. Für welchen Wert von c ist f stetig bei x = 2?

✓ Antwort: 1
lim(x→2⁻) = 2+3 = 5. f(2) = 2·2+c = 4+c. Stetigkeit: 4+c = 5, also c = 1.