Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

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f(x)= -2 x 5 +2

f'(x)= -10 x 4 +0

= -10 x 4

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 4 x 4 +5x und gib die Steigung von f an der Stelle x=0 an:

Lösung einblenden

f(x)= 4 x 4 +5x

=>f'(x)= 16 x 3 +5

f'(0) = 16 0 3 +5 = 160 +5 = 5

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 3 2 x 4 + 5 4 x 2 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 3 2 x 4 + 5 4 x 2

= 3 2 x -4 + 5 4 x 2

=> f'(x) = -6 x -5 + 5 2 x

f'(x)= - 6 x 5 + 5 2 x

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 8 3 x 4 -3 x und vereinfache:

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f(x)= - 8 3 x 4 -3 x

= - 8 3 x 4 -3 x 1 2

=> f'(x) = - 32 3 x 3 - 3 2 x - 1 2

f'(x)= - 32 3 x 3 - 3 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)= -2 x 4 + t x im Punkt (-2|ft(-2)) den Wert 59 ?

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

=>f'(x)= -8 x 3 + t

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

= -8 ( -2 ) 3 + t
= 64 + t

Dieser Wert soll ja den Wert 59 besitzen, also gilt:

t +64 = 59 | -64
t = -5

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - x 4 + 3 2 x 2 im Punkt P(-2|f(-2)):

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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 4 + 3 2 x 2

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

f'(-2) = -4 ( -2 ) 3 +3( -2 ) = -4( -8 ) -6 = 32 -6 = 26

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( 26 )) ≈ 87.8°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -71.565° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 1 10 x 4 -53x +2 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -71.565° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-71.565°) ≈ -3 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -3 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -3 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= 1 10 x 4 -53x +2 ab:

f'(x) = 2 5 x 3 -53

Es muss gelten:

2 5 x 3 -53 = -3 | +53
2 5 x 3 = 50 |⋅ 5 2
x 3 = 125 | 3
x = 125 3 = 5

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 5.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= - 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 84.29 ° ?

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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 84.29 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(84.29°) ≈ 10.001

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

f(x)= - x 2 + t x

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

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

f'(0) = -20 + t
= t

Dieser Wert soll ja ungefähr 10.001 betragen, also gilt:

t = 10,001

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 +18 und g(x)= - x 2 -4x +24 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 +18 = - x 2 -4x +24 | + x 2 +4x -24
2 x 2 -4x -6 = 0 |:2

x 2 -2x -3 = 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 · ( -3 ) 21

x1,2 = +2 ± 4 +12 2

x1,2 = +2 ± 16 2

x1 = 2 + 16 2 = 2 +4 2 = 6 2 = 3

x2 = 2 - 16 2 = 2 -4 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 - ( -3 ) = 1+ 3 = 4

x1,2 = 1 ± 4

x1 = 1 - 2 = -1

x2 = 1 + 2 = 3

L={ -1 ; 3 }

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Um den Schnittwinkel zu berechnen brauchen wir zuerst die Steigungswinkel der beiden Graphen im Schnittpunkt S( 3 |f( 3 )).

Dazu leiten wir die beiden Funktionen ab und setzen den x-Wert des Schnittpunkts x = 3 in die Ableitungen ein um die Tangentensteigungen zu erhalten:

f'(x)= 2x -8 , also gilt mf = f'( 3 )= 23 -8 = -2

g'(x)= -2x -4 , also gilt mg = g'( 3 )= -23 -4 = -10

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( 3 |f( 3 )): α = arctan( -2 ) ≈ -63.4°

und für den Steigungswinkel von g in S( 3 |g( 3 )) gilt: β = arctan( -10 ) ≈ -84.3°

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° - ( - 84.3 )°| ≈ 20.9°