Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 2 x 4 - 4 9 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 2 x 4 - 4 9 x 3

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 3 cos( x ) und gib die Steigung von f an der Stelle x= 1 2 π an:

Lösung einblenden

f(x)= 3 cos( x )

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

f'( 1 2 π ) = -3 sin( 1 2 π ) = -31 = -3

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 3 x 2 + 7 4 sin( x ) und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 3 x 2 + 7 4 sin( x )

= 3 x -2 + 7 4 sin( x )

=> f'(x) = -6 x -3 + 7 4 cos( x )

f'(x)= - 6 x 3 + 7 4 cos( x )

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= - x 2 +6 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

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

= - x 2 +6 x 1 3

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

f'(x)= -2x + 2 ( 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)= 10 x + t x 2 im Punkt (-2|ft(-2)) den Wert - 53 2 ?

Lösung einblenden

f(x)= 10 x + t x 2

=>f'(x)= - 10 x 2 +2 t x

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

= - 10 ( -2 ) 2 +2 t ( -2 )
= - 5 2 -4 t

Dieser Wert soll ja den Wert - 53 2 besitzen, also gilt:

-4t - 5 2 = - 53 2 |⋅ 2
2( -4t - 5 2 ) = -53
-8t -5 = -53 | +5
-8t = -48 |:(-8 )
t = 6

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - x 3 +2x -2 im Punkt P(0|f(0)):

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(0|f(0)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 0 in die Ableitungsfunktion ein:

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

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

f'(0) = -3 0 2 +2 = -30 +2 = 2

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'(0)) = arctan( 2 )) ≈ 63.4°.

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)= 1 2 x 2 + x -3 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)= 1 2 x 2 + x -3 ab:

f'(x) = x +1

Es muss gelten:

x +1 = -1 | -1
x = -2

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -2.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion ft mit ft(x)= -3 x 3 + 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 -45 ° ?

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 -45 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-45°) ≈ -1

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 4 t x

=>f'(x)= -9 x 2 + 1 4 t

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

f'(0) = -9 0 2 + 1 4 t
= 1 4 t

Dieser Wert soll ja ungefähr -1 betragen, also gilt:

1 4 t = -1 |⋅ 4
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 -3x +3 und g(x)= - x 2 + x +9 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 +3 = - x 2 + x +9 | + x 2 - x -9
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 -3 , also gilt mf = f'( 3 )= 23 -3 = 3

g'(x)= -2x +1 , also gilt mg = g'( 3 )= -23 +1 = -5

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( 3 ) ≈ 71.6°

und für den Steigungswinkel von g in S( 3 |g( 3 )) gilt: β = arctan( -5 ) ≈ -78.7°

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

γ = |α - β| = |71.6° - ( - 78.7 )°| ≈ 150.3°

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° - 150.3° = 29.7° .