Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 3 10 x 5 +5x und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 3 10 x 5 +5x

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 9 2 cos( x ) und gib die Steigung von f an der Stelle x= 1 2 π an:

Lösung einblenden

f(x)= 9 2 cos( x )

=>f'(x)= - 9 2 sin( x )

f'( 1 2 π ) = - 9 2 sin( 1 2 π ) = - 9 2 1 = - 9 2 ≈ -4.5

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 7 4 x 4 -2 x 2 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 7 4 x 4 -2 x 2

f'(x)= -7 x 3 -4x

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

= -4 x 1 4 -2 x 2

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

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

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von ft mit ft(x)= -3 x 6 +2 t x im Punkt (2|ft(2)) den Wert -570 ?

Lösung einblenden

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

=>f'(x)= -18 x 5 +2 t

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

= -18 2 5 +2 t
= -576 +2 t

Dieser Wert soll ja den Wert -570 besitzen, also gilt:

2t -576 = -570 | +576
2t = 6 |:2
t = 3

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - 1 4 x 2 - 1 2 x +4 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 2 - 1 2 x +4

=>f'(x)= - 1 2 x - 1 2 +0

f'(-1) = - 1 2 ( -1 ) - 1 2 = 1 2 - 1 2 = 0

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(0)) ≈ .

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 +25x +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 +25x +2 ab:

f'(x) = x 3 +25

Es muss gelten:

x 3 +25 = -2 | -25
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 + 1 4 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)= 3 x 2 + 1 4 t x

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

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

f'(0) = 60 + 1 4 t
= 1 4 t

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

1 4 t = -2 |⋅ 4
t = -8

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -8 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 -5x +9 und g(x)= - x 2 -3x +13 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 +9 = - x 2 -3x +13 | + x 2 +3x -13
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 -5 , also gilt mf = f'( 2 )= 22 -5 = -1

g'(x)= -2x -3 , also gilt mg = g'( 2 )= -22 -3 = -7

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( -1 ) ≈ -45°

und für den Steigungswinkel von g in S( 2 |g( 2 )) gilt: β = arctan( -7 ) ≈ -81.9°

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

γ = |α - β| = |-45° - ( - 81.9 )°| ≈ 36.9°