Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= 1 6 x 3 + 1 2 x 2

f'(x)= 1 2 x 2 + x

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= -2 sin( x ) und gib die Steigung von f an der Stelle x= 1 2 π an:

Lösung einblenden

f(x)= -2 sin( x )

=>f'(x)= -2 cos( x )

f'( 1 2 π ) = -2 cos( 1 2 π ) = -20 = 0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 4 3 x 3 +4 sin( x ) und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 4 3 x 3 +4 sin( x )

= - 4 3 x -3 +4 sin( x )

=> f'(x) = 4 x -4 +4 cos( x )

f'(x)= 4 x 4 +4 cos( x )

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 1 2 x 4 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 1 2 x 4

= - 1 2 x 1 4

=> f'(x) = - 1 8 x - 3 4

f'(x)= - 1 8 ( 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)= 2 t x 3 - x im Punkt (1|ft(1)) den Wert -25 ?

Lösung einblenden

f(x)= 2 t x 3 - x

=>f'(x)= - 6 t x 4 -1

Jetzt setzen wir x = 1 in die Ableitungsfunktion f' ein:

= - 6 t 1 4 -1
= -6 t -1

Dieser Wert soll ja den Wert -25 besitzen, also gilt:

-6t -1 = -25 | +1
-6t = -24 |:(-6 )
t = 4

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - x 2 +2x +4 im Punkt P(0|f(0)):

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(0|f(0)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 0 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= - x 2 +2x +4

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

f'(0) = -20 +2 = 0 +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'(0)) = arctan( 2 )) ≈ 63.4°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -63.435° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 1 4 x 4 -3x +2 angelegt.

Bestimme x0.

Lösung einblenden

Wenn der Steigungswinkel α = -63.435° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-63.435°) ≈ -2 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -2 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -2 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= 1 4 x 4 -3x +2 ab:

f'(x) = x 3 -3

Es muss gelten:

x 3 -3 = -2 | +3
x 3 = 1 | 3
x = 1 3 = 1

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 1.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= -2 x 3 + 1 3 t x für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von ft im Ursprung ungefähr 63.43 ° ?

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 63.43 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(63.43°) ≈ 2

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

f(x)= -2 x 3 + 1 3 t x

=>f'(x)= -6 x 2 + 1 3 t

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

f'(0) = -6 0 2 + 1 3 t
= 1 3 t

Dieser Wert soll ja ungefähr 2 betragen, also gilt:

1 3 t = 2 |⋅ 3
t = 6

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 und g(x)= - x 2 -2x +4 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 = - x 2 -2x +4 | + x 2 +2x -4
2 x 2 +2x -4 = 0 |:2

x 2 + x -2 = 0

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

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

x1,2 = -1 ± 1 2 -4 · 1 · ( -2 ) 21

x1,2 = -1 ± 1 +8 2

x1,2 = -1 ± 9 2

x1 = -1 + 9 2 = -1 +3 2 = 2 2 = 1

x2 = -1 - 9 2 = -1 -3 2 = -4 2 = -2

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 = ( 1 2 ) 2 - ( -2 ) = 1 4 + 2 = 1 4 + 8 4 = 9 4

x1,2 = - 1 2 ± 9 4

x1 = - 1 2 - 3 2 = - 4 2 = -2

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

L={ -2 ; 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 , also gilt mf = f'( 1 )= 21 = 2

g'(x)= -2x -2 , also gilt mg = g'( 1 )= -21 -2 = -4

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( 2 ) ≈ 63.4°

und für den Steigungswinkel von g in S( 1 |g( 1 )) gilt: β = arctan( -4 ) ≈ -76°

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

γ = |α - β| = |63.4° - ( - 76 )°| ≈ 139.4°

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° - 139.4° = 40.6° .