Asymptotisches Verhalten rationaler Funktionen

Sei f(x)=azxz+az1xz1++a1x+a0bnxn+bn1xn1++b1x+b0=g(x)h(x) f(x)=\dfrac{a_z x^z+a_{z-1} x^{z-1}+\cdots +a_1x+a_0}{b_n x^n+b_{n-1} x^{n-1}+\cdots +b_1x+b_0} = \dfrac{g(x)}{h(x)} eine rationale Funktion.
Für das Verhalten für xx gegen Unendlich sind die Grade zz bzw. nn des Zähler- bzw. Nenner-Polynoms entscheidend:
Für xx\to\infty geht f(x)f(x)
  • gegen sgn(azbn)\sgn\left(\dfrac{a_z}{b_n}\right)\cdot\infty, falls z>nz>n, wobei mit "sgn" das Vorzeichen des Quotienten gemeint ist (siehe Signum),
  • gegen azbn\dfrac{a_z}{b_n}, falls z=nz=n (die Asymptote ist parallel zur x-Achse),
  • gegen 00 (die x-Achse ist waagrechte Asymptote), falls z<nz<n,
Für xx\to -\infty ergibt sich im zweiten und dritten Fall jeweils derselbe Grenzwert wie für xx \to \infty. Im ersten Fall muss man Zähler- und Nennergrad noch genauer berücksichtigen:
  • Ist znz - n gerade, so ergibt sich derselbe Grenzwert wie für xx \to \infty.
  • Ist znz - n ungerade, so ändert sich im Vergleich zu xx \to \infty das Vorzeichen des Grenzwerts.
Wie weiter unten beschrieben, kann man im ersten Fall den Funktionsterm mittels Polynomdivision immer in ein Polynom und einen echt gebrochenrationalen Term zerlegen; das Polynom beschreibt dann eine sogenannte Asymptotenkurve. (Das Verhalten der Funktionswerte für x±x \to \pm \infty kann man dann auch einfacher erhalten, indem man nur das Verhalten der Asymptotenkurve untersucht.) Im Sonderfall z=n+1z=n+1 ergibt sich eine schräg verlaufende Asymptote.

Asymptote

Durch die Polynomdivision von gg durch hh erhält man g=aq+rg = a\cdot q + r mit Polynomen aa und rr, wobei der Grad von rr kleiner als der von hh ist. Das asymptotische Verhalten von
f=(gh)=a+(rh)f = \over{g}{ h} = a + \over{r}{ h}
ist damit durch die ganzrationale Funktion ("Asymptotenfunktion") aa bestimmt.
  1. z<nz < n \to x-Achse ist Asymptote: a(x)=0a(x) = 0
  2. z=nz = n \to waagerechte Asymptote: a(x)=azbna(x) = \dfrac{a_z}{b_n}
  3. z=n+1z = n + 1 \to schräge Asymptote: a(x)=mx+c;m0a(x) = mx + c \,; m \ne 0 (Spezialfall von 4)
  4. z>n+1z > n +1 \to polynomiale Näherungsfunktion

Beispiele

405_asym1.png
Bei der gebrochenrationalen Funktion f:x2x1x2+1f: x \mapsto \dfrac{2x - 1}{x^2 + 1} ist der Zählergrad zz = 1 und der Nennergrad nn = 2, der Grenzwert für x±x \to \pm \infty ist also 00.
Die gebrochenrationale Funktion g:xx33x+22x3x3g: x \mapsto \dfrac{x^3 - 3x + 2}{2x - 3x^3} hat den Zählergrad zz = 3 und auch den Nennergrad nn = 3; da hier a3=1a_3 = 1 und b3=3b_3 = -3 ist, ergibt sich für die Gleichung der waagrechten Asymptote: y=13y = -\dfrac{1}{3}.
407_asym2.png
Die gebrochenrationale Funktion f:xx2x1f: x \mapsto \dfrac{x^2}{x-1} hat den Zählergrad zz = 2 und den Nennergrad nn = 1; mit den Koeffizienten a2=1a_2 = 1 und b1=1b_1 = 1 ergibt sich also: f(x)sgn(11)=+f(x) \to \sgn\left(\dfrac{1}{1}\right)\cdot\infty = +\infty für xx \to \infty. Da hier zn=1z - n = 1 ungerade ist, folgt für den Grenzwert für xx \to -\infty das umgedrehte Vorzeichen, also f(x)f(x) \to -\infty. Diese Funktion kann man auch schreiben als f:xx+1+1x1f: x \mapsto x + 1 + \dfrac{1}{x-1}, das heißt, die (schräge) Asymptote hat die Gleichung y=x+1y = x + 1 (und daraus ergibt sich auch leicht wieder das eben geschilderte Grenzverhalten).
 
 

Wir Mathematiker sind die wahren Dichter, nur müssen wir das, was unsere Phantasie schafft, noch beweisen.

Leopold Kronecker

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