Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 2 3 x 3 - 1 4 x 2 und vereinfache:

Lösung einblenden

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

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= - 3 2 x 2

=>f'(x)= -3x

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

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= - 4 x 3

= -4 x -3

=> f'(x) = 12 x -4

f'(x)= 12 x 4

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= -4 x

= -4 x 1 2

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

f'(x)= - 2 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)= 5 t sin( x ) - x im Punkt ( 0 |ft( 0 )) den Wert 9 ?

Lösung einblenden

f(x)= 5 t sin( x ) - x

=>f'(x)= 5 t cos( x ) -1

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

= 5 t cos( 0 ) -1
= 5 t 1 -1
= 5 t -1

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

5t -1 = 9 | +1
5t = 10 |:5
t = 2

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - 1 2 x 4 + 3 2 x 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 2 x 4 + 3 2 x

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

f'(1) = -2 1 3 + 3 2 = -21 + 3 2 = -2 + 3 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'(1)) = arctan( - 1 2 )) ≈ -26.6°.

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)= 3 20 x 4 -76x +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)= 3 20 x 4 -76x +3 ab:

f'(x) = 3 5 x 3 -76

Es muss gelten:

3 5 x 3 -76 = -1 | +76
3 5 x 3 = 75 |⋅ 5 3
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)= 3 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 -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 4 + t x

=>f'(x)= 12 x 3 + t

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

f'(0) = 12 0 3 + t
= t

Dieser Wert soll ja ungefähr -5 betragen, also gilt:

t = -5

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -5 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 +4x -10 und g(x)= - x 2 +2x +2 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 +4x -10 = - x 2 +2x +2 | + x 2 -2x -2
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 ) 21

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 +4 , also gilt mf = f'( 2 )= 22 +4 = 8

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

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( 8 ) ≈ 82.9°

und für den Steigungswinkel von g in S( 2 |g( 2 )) gilt: β = arctan( -2 ) ≈ -63.4°

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

γ = |α - β| = |82.9° - ( - 63.4 )°| ≈ 146.3°

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° - 146.3° = 33.7° .