Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 1 15 x 5 - 4 3 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 1 15 x 5 - 4 3 x 3

f'(x)= - 1 3 x 4 -4 x 2

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= x 3

=>f'(x)= 3 x 2

f'(-1) = 3 ( -1 ) 2 = 31 = 3

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= -2 sin( x ) - 5 x 3

= -2 sin( x ) -5 x -3

=> f'(x) = -2 cos( x ) +15 x -4

f'(x)= -2 cos( x ) + 15 x 4

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= -2 x 5 - x

= -2 x 5 - x 1 2

=> f'(x) = -10 x 4 - 1 2 x - 1 2

f'(x)= -10 x 4 - 1 2 x

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von ft mit ft(x)= t x -6 x 2 im Punkt (1|ft(1)) den Wert - 21 2 ?

Lösung einblenden

f(x)= t x -6 x 2

= t x 1 2 -6 x 2

=> f'(x)= 1 2 t x - 1 2 -12x

=>f'(x)= t 2 x -12x

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

= t 2 -121
= t 2 -121
= 1 2 t -12

Dieser Wert soll ja den Wert - 21 2 besitzen, also gilt:

1 2 t -12 = - 21 2 |⋅ 2
2( 1 2 t -12 ) = -21
t -24 = -21 | +24
t = 3

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - x 4 +2x +6 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 4 +2x +6

=>f'(x)= -4 x 3 +2 +0

f'(0) = -4 0 3 +2 = -40 +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 ≈ -45° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 1 2 x 4 -3x +8 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 -3x +8 ab:

f'(x) = 2 x 3 -3

Es muss gelten:

2 x 3 -3 = -1 | +3
2 x 3 = 2 |:2
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)= 3 x 2 + 1 5 t x für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von ft im Ursprung ungefähr -50.19 ° ?

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 -50.19 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-50.19°) ≈ -1.2

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

f(x)= 3 x 2 + 1 5 t x

=>f'(x)= 6x + 1 5 t

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

f'(0) = 60 + 1 5 t
= 1 5 t

Dieser Wert soll ja ungefähr -1.2 betragen, also gilt:

1 5 t = -1,2 |⋅ 5
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 -4x +6 und g(x)= - x 2 -2x +10 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 -4x +6 = - x 2 -2x +10 | + x 2 +2x -10
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 = 4 2 = 2

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

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 = - 2 2 = -1

x2 = 1 2 + 3 2 = 4 2 = 2

L={ -1 ; 2 }

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Um den Schnittwinkel zu berechnen brauchen wir zuerst die Steigungswinkel der beiden Graphen im Schnittpunkt S( 2 |f( 2 )).

Dazu leiten wir die beiden Funktionen ab und setzen den x-Wert des Schnittpunkts x = 2 in die Ableitungen ein um die Tangentensteigungen zu erhalten:

f'(x)= 2x -4 , also gilt mf = f'( 2 )= 22 -4 = 0

g'(x)= -2x -2 , also gilt mg = g'( 2 )= -22 -2 = -6

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( 2 |f( 2 )): α = arctan(0) ≈ 0°

und für den Steigungswinkel von g in S( 2 |g( 2 )) gilt: β = arctan( -6 ) ≈ -80.5°

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

γ = |α - β| = |0° - ( - 80.5 )°| ≈ 80.5°