Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 2 9 x 3 + 2 3 x und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= - 2 9 x 3 + 2 3 x

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= cos( x )

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

f'( 0 ) = - sin( 0 ) = -0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - 7 3 cos( x ) - 3 4 x 4 und vereinfache:

Lösung einblenden

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

= - 7 3 cos( x ) - 3 4 x -4

=> f'(x) = 7 3 sin( x ) +3 x -5

f'(x)= 7 3 sin( x ) + 3 x 5

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

= -4 x 1 3 - 4 3 x 2

=> f'(x) = - 4 3 x - 2 3 - 8 3 x

f'(x)= - 4 3 ( x 3 ) 2 - 8 3 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)= t x 3 -2 x 2 im Punkt (-1|ft(-1)) den Wert 19 ?

Lösung einblenden

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

=>f'(x)= - 3 t x 4 -4x

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

= - 3 t ( -1 ) 4 -4( -1 )
= -3 t +4

Dieser Wert soll ja den Wert 19 besitzen, also gilt:

-3t +4 = 19 | -4
-3t = 15 |:(-3 )
t = -5

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - x 3 + 3 2 x -7 im Punkt P(-3|f(-3)):

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-3|f(-3)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -3 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= - x 3 + 3 2 x -7

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

f'(-3) = -3 ( -3 ) 2 + 3 2 = -39 + 3 2 = -27 + 3 2 = - 51 2 ≈ -25.5

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'(-3)) = arctan( - 51 2 )) ≈ -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 20 x 4 -28x +7 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 20 x 4 -28x +7 ab:

f'(x) = - 1 5 x 3 -28

Es muss gelten:

- 1 5 x 3 -28 = -3 | +28
- 1 5 x 3 = 25 |⋅ ( -5 )
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 4 + t x für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von ft im Ursprung ungefähr -75.96 ° ?

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 -75.96 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-75.96°) ≈ -3.999

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

f(x)= x 4 + t x

=>f'(x)= 4 x 3 + t

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

f'(0) = 4 0 3 + t
= t

Dieser Wert soll ja ungefähr -3.999 betragen, also gilt:

t = -3,999

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 +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 ) 21

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 )= 22 +8 = 12

g'(x)= -2x +4 , also gilt mg = g'( 2 )= -22 +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°