Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 5 x 3 - 1 6 x 2 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 5 x 3 - 1 6 x 2

f'(x)= 15 x 2 - 1 3 x

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 5 x 3 und gib die Steigung von f an der Stelle x=-1 an:

Lösung einblenden

f(x)= 5 x 3

=>f'(x)= 15 x 2

f'(-1) = 15 ( -1 ) 2 = 151 = 15

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= -2 cos( x ) + 6 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= -2 cos( x ) + 6 x 3

= -2 cos( x ) +6 x -3

=> f'(x) = 2 sin( x ) -18 x -4

f'(x)= 2 sin( x ) - 18 x 4

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 9 4 x 4 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 9 4 x 4

= 9 4 x 1 4

=> f'(x) = 9 16 x - 3 4

f'(x)= 9 16 ( x 4 ) 3

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von ft mit ft(x)= 5 x 5 + t x im Punkt (2|ft(2)) den Wert 403 ?

Lösung einblenden

f(x)= 5 x 5 + t x

=>f'(x)= 25 x 4 + t

Jetzt setzen wir x = 2 in die Ableitungsfunktion f' ein:

= 25 2 4 + t
= 400 + t

Dieser Wert soll ja den Wert 403 besitzen, also gilt:

t +400 = 403 | -400
t = 3

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= x 2 -2x +3 im Punkt P(2|f(2)):

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(2|f(2)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 2 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= x 2 -2x +3

=>f'(x)= 2x -2 +0

f'(2) = 22 -2 = 4 -2 = 2

Für den Steigungswinkel α einer Geraden mit Steigung m gilt:

tan(α) = m.

Also können wir den Steigungswinkel α berechnen mit:

α = arctan(m) = arctan(f'(2)) = arctan( 2 )) ≈ 63.4°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ 45° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 1 2 x 4 -53x +6 angelegt.

Bestimme x0.

Lösung einblenden

Wenn der Steigungswinkel α = 45° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(45°) ≈ 1 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = 1 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = 1 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= 1 2 x 4 -53x +6 ab:

f'(x) = 2 x 3 -53

Es muss gelten:

2 x 3 -53 = 1 | +53
2 x 3 = 54 |:2
x 3 = 27 | 3
x = 27 3 = 3

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 3.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= -3 x 2 + t x für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von ft im Ursprung ungefähr 80.54 ° ?

Lösung einblenden

ft(0) = 0, also verläuft der Graph von ft für jedes t durch den Ursprung O(0|0).

Für den Steigungswinkel α gilt ja:

tan(α)=m = Gegenkathete Ankathete = y-Zuwachs x-Zuwachs

Wenn also im Ursprung der Steigungswinkel 80.54 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(80.54°) ≈ 6.001

Dieses m können wir ja aber auch in Abhängigkeit von t mit der Ableitungsfunktion ft' bei x=0 berechnen:

f(x)= -3 x 2 + t x

=>f'(x)= -6x + t

Jetzt setzen wir x = 0 in die Ableitungsfunktion f' ein:

f'(0) = -60 + t
= t

Dieser Wert soll ja ungefähr 6.001 betragen, also gilt:

t = 6,001

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = 6 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 +5x -3 und g(x)= - x 2 - x +5 schneiden sich in zwei Punkten. Berechne den Schnittwinkel der beiden Graphen im Schnittpunkt mit dem positiven x-Wert.

Lösung einblenden

Um die Schnittpunkte zu berechnen, müssen wir einfach die beiden Funktionsterme gleichsetzen:

x 2 +5x -3 = - x 2 - x +5 | + x 2 + x -5
2 x 2 +6x -8 = 0 |:2

x 2 +3x -4 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -4 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +16 2

x1,2 = -3 ± 25 2

x1 = -3 + 25 2 = -3 +5 2 = 2 2 = 1

x2 = -3 - 25 2 = -3 -5 2 = -8 2 = -4

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( 3 2 ) 2 - ( -4 ) = 9 4 + 4 = 9 4 + 16 4 = 25 4

x1,2 = - 3 2 ± 25 4

x1 = - 3 2 - 5 2 = - 8 2 = -4

x2 = - 3 2 + 5 2 = 2 2 = 1

L={ -4 ; 1 }

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Um den Schnittwinkel zu berechnen brauchen wir zuerst die Steigungswinkel der beiden Graphen im Schnittpunkt S( 1 |f( 1 )).

Dazu leiten wir die beiden Funktionen ab und setzen den x-Wert des Schnittpunkts x = 1 in die Ableitungen ein um die Tangentensteigungen zu erhalten:

f'(x)= 2x +5 , also gilt mf = f'( 1 )= 21 +5 = 7

g'(x)= -2x -1 , also gilt mg = g'( 1 )= -21 -1 = -3

Mit den Tangentensteigungen kann man nun die Steigungswinkel dieser Tangenten mit der Formel tan(α) = m = y-Zuwachs x-Zuwachs

Somit gilt für den Steigungswinkel von f in S( 1 |f( 1 )): α = arctan( 7 ) ≈ 81.9°

und für den Steigungswinkel von g in S( 1 |g( 1 )) gilt: β = arctan( -3 ) ≈ -71.6°

An der Skizze erkennt man schnell, dass man den Schnittwinkel als den Betrag der Differenz der beiden Steigungswinkel berechnen kann.

γ = |α - β| = |81.9° - ( - 71.6 )°| ≈ 153.5°

Die beiden Tangenten haben ja eigentlich zwei Schnittwinkel, die Nebenwinkel zueinander sind. Als Schnittwinkel wird im Normalfall immer der kleinere der beiden bezeichnet. Deswegen gilt für den Schnittwinkel γ* = 180° - 153.5° = 26.5° .