Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -9 x 2 -4

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= x 3 +4 x 2 und gib die Steigung von f an der Stelle x=0 an:

Lösung einblenden

f(x)= x 3 +4 x 2

=>f'(x)= 3 x 2 +8x

f'(0) = 3⋅ 0 2 +8⋅0 = 3⋅0 +0 = 0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= 1 3 x 2 + 3 2 ⋅ sin( x )

= 1 3 x -2 + 3 2 ⋅ sin( x )

=> f'(x) = - 2 3 x -3 + 3 2 ⋅ cos( x )

f'(x)= - 2 3 x 3 + 3 2 ⋅ cos( x )

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

= -4 x 1 2 -3 x 5

=> f'(x) = -2 x - 1 2 -15 x 4

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

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 x 3 +2 t x 2 im Punkt (-2|ft(-2)) den Wert 61 8 ?

Lösung einblenden

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

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

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

= - 6 ( -2 ) 4 +4 t ⋅( -2 )
= - 3 8 -8 t

Dieser Wert soll ja den Wert 61 8 besitzen, also gilt:

-8t - 3 8 = 61 8 |⋅ 8
8( -8t - 3 8 ) = 61
-64t -3 = 61 | +3
-64t = 64 |:(-64 )
t = -1

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - 1 4 x 4 + x 2 +1 im Punkt P(1|f(1)):

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(1|f(1)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 1 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= - 1 4 x 4 + x 2 +1

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

f'(1) = - 1 3 +2⋅1 = -1 +2 = -1 +2 = 1

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'(1)) = arctan( 1 )) ≈ 45°.

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)= 3 2 x 2 + x -6 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)= 3 2 x 2 + x -6 ab:

f'(x) = 3x +1

Es muss gelten:

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

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -1.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= - x 4 + 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 -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)= - x 4 + 1 5 t x

=>f'(x)= -4 x 3 + 1 5 t

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

f'(0) = -4⋅ 0 3 + 1 5 t
= 1 5 t

Dieser Wert soll ja ungefähr -2 betragen, also gilt:

1 5 t = -2 |⋅ 5
t = -10

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -10 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 +8x -17 und g(x)= - x 2 +4x -1 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 +8x -17 = - x 2 +4x -1 | + x 2 -4x +1
2 x 2 +4x -16 = 0 |:2

x 2 +2x -8 = 0

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

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

x1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -8 ) 2⋅1

x1,2 = -2 ± 4 +32 2

x1,2 = -2 ± 36 2

x1 = -2 + 36 2 = -2 +6 2 = 4 2 = 2

x2 = -2 - 36 2 = -2 -6 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 = 1 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = -1 ± 9

x1 = -1 - 3 = -4

x2 = -1 + 3 = 2

L={ -4 ; 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 +8 , also gilt mf = f'( 2 )= 2⋅2 +8 = 12

g'(x)= -2x +4 , also gilt mg = g'( 2 )= -2⋅2 +4 = 0

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( 12 ) ≈ 85.2°

und für den Steigungswinkel von g in S( 2 |g( 2 )) gilt: β = arctan(0) ≈ 0°

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

γ = |α - β| = |85.2° - 0°| ≈ 85.2°