Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= -5 x 4 -5

f'(x)= -20 x 3 +0

= -20 x 3

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 3 2 x 5 und gib die Steigung von f an der Stelle x=0 an:

Lösung einblenden

f(x)= - 3 2 x 5

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

f'(0) = - 15 2 0 4 = - 15 2 0 = 0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= -4 sin( x ) - 2 3 x 3

= -4 sin( x ) - 2 3 x -3

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

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

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 7 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 7 x 3

= 7 x 1 3

=> f'(x) = 7 3 x - 2 3

f'(x)= 7 3 ( x 3 ) 2

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 +6x im Punkt (1|ft(1)) den Wert 13 2 ?

Lösung einblenden

f(x)= t x +6x

= t x 1 2 +6x

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

=>f'(x)= t 2 x +6

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

= t 2 +6
= t 2 +6
= 1 2 t +6

Dieser Wert soll ja den Wert 13 2 besitzen, also gilt:

1 2 t +6 = 13 2 |⋅ 2
2( 1 2 t +6 ) = 13
t +12 = 13 | -12
t = 1

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 4 -2 x 3 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)= 3 2 x 4 -2 x 3

=>f'(x)= 6 x 3 -6 x 2

f'(1) = 6 1 3 -6 1 2 = 61 -61 = 6 -6 = 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 ≈ -45° an den Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -9x +9 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)= x 2 -9x +9 ab:

f'(x) = 2x -9

Es muss gelten:

2x -9 = -1 | +9
2x = 8 |:2
x = 4

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 4.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= 2 x 3 + 1 2 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 2 t x

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

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

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

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

1 2 t = -2 |⋅ 2
t = -4

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -4 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 +7x -7 und g(x)= - x 2 + x +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 +7x -7 = - x 2 + x +1 | + x 2 - x -1
2 x 2 +6x -8 = 0 |:2

x 2 +3x -4 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -4 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +16 2

x1,2 = -3 ± 25 2

x1 = -3 + 25 2 = -3 +5 2 = 2 2 = 1

x2 = -3 - 25 2 = -3 -5 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 = ( 3 2 ) 2 - ( -4 ) = 9 4 + 4 = 9 4 + 16 4 = 25 4

x1,2 = - 3 2 ± 25 4

x1 = - 3 2 - 5 2 = - 8 2 = -4

x2 = - 3 2 + 5 2 = 2 2 = 1

L={ -4 ; 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 +7 , also gilt mf = f'( 1 )= 21 +7 = 9

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

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( 9 ) ≈ 83.7°

und für den Steigungswinkel von g in S( 1 |g( 1 )) gilt: β = arctan( -1 ) ≈ -45°

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

γ = |α - β| = |83.7° - ( - 45 )°| ≈ 128.7°

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° - 128.7° = 51.3° .