Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 4 5 x 5 - 1 8 x 4 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 4 5 x 5 - 1 8 x 4

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= 4⋅ sin( x )

=>f'(x)= 4⋅ cos( x )

f'( 0 ) = 4⋅ cos( 0 ) = 4⋅1 = 4

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= - 3 x 3 +4⋅ sin( x )

= -3 x -3 +4⋅ sin( x )

=> f'(x) = 9 x -4 +4⋅ cos( x )

f'(x)= 9 x 4 +4⋅ cos( x )

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

= 3 x 1 4 +3 x 3

=> f'(x) = 3 4 x - 3 4 +9 x 2

f'(x)= 3 4 ( x 4 ) 3 +9 x 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)= 2 t ⋅ sin( x ) +5x im Punkt ( 0 |ft( 0 )) den Wert 9 ?

Lösung einblenden

f(x)= 2 t ⋅ sin( x ) +5x

=>f'(x)= 2 t ⋅ cos( x ) +5

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

= 2 t ⋅ cos( 0 ) +5
= 2 t ⋅1 +5
= 2 t +5

Dieser Wert soll ja den Wert 9 besitzen, also gilt:

2t +5 = 9 | -5
2t = 4 |:2
t = 2

Steigungswinkel

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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)= - 1 4 x 2 + 1 2 x

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

f'(2) = - 1 2 ⋅2 + 1 2 = -1 + 1 2 = - 1 2 ≈ -0.5

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( - 1 2 )) ≈ -26.6°.

Da der Steigungswinkel immer zwischen 0° und 180° liegt, müssen wir hier noch 180° addieren:

α = -26.6° + 180° = 153.4°.

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 2 x 4 +56x +9 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 2 x 4 +56x +9 ab:

f'(x) = 2 x 3 +56

Es muss gelten:

2 x 3 +56 = 2 | -56
2 x 3 = -54 |:2
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 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 78.69 ° ?

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 78.69 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(78.69°) ≈ 5

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

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

=>f'(x)= 9 x 2 + 1 2 t

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

f'(0) = 9⋅ 0 2 + 1 2 t
= 1 2 t

Dieser Wert soll ja ungefähr 5 betragen, also gilt:

1 2 t = 5 |⋅ 2
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 +3x -9 und g(x)= - x 2 + x +3 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 +3x -9 = - x 2 + x +3 | + x 2 - x -3
2 x 2 +2x -12 = 0 |:2

x 2 + x -6 = 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 · ( -6 ) 2⋅1

x1,2 = -1 ± 1 +24 2

x1,2 = -1 ± 25 2

x1 = -1 + 25 2 = -1 +5 2 = 4 2 = 2

x2 = -1 - 25 2 = -1 -5 2 = -6 2 = -3

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 - ( -6 ) = 1 4 + 6 = 1 4 + 24 4 = 25 4

x1,2 = - 1 2 ± 25 4

x1 = - 1 2 - 5 2 = - 6 2 = -3

x2 = - 1 2 + 5 2 = 4 2 = 2

L={ -3 ; 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 +3 , also gilt mf = f'( 2 )= 2⋅2 +3 = 7

g'(x)= -2x +1 , also gilt mg = g'( 2 )= -2⋅2 +1 = -3

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( 7 ) ≈ 81.9°

und für den Steigungswinkel von g in S( 2 |g( 2 )) gilt: β = arctan( -3 ) ≈ -71.6°

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

γ = |α - β| = |81.9° - ( - 71.6 )°| ≈ 153.5°

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° - 153.5° = 26.5° .