Aufgabenbeispiele von ganzrationale Fktn.

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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= -5 x 3 - 2 3 x 2 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= -5 x 3 - 2 3 x 2

f'(x)= -15 x 2 - 4 3 x

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

f(x)= 3 2 cos( x )

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

f'( 1 2 π ) = - 3 2 sin( 1 2 π ) = - 3 2 1 = - 3 2 ≈ -1.5

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 5 cos( x ) + 2 x 3 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= 5 cos( x ) + 2 x 3

= 5 cos( x ) +2 x -3

=> f'(x) = -5 sin( x ) -6 x -4

f'(x)= -5 sin( x ) - 6 x 4

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= x +3 x 5 und vereinfache:

Lösung einblenden

f(x)= x +3 x 5

= x 1 2 +3 x 5

=> f'(x) = 1 2 x - 1 2 +15 x 4

f'(x)= 1 2 x +15 x 4

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 -4 x 2 im Punkt (1|ft(1)) den Wert -7 ?

Lösung einblenden

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

= t x 1 3 -4 x 2

=> f'(x)= 1 3 t x - 2 3 -8x

=>f'(x)= t 3 ( x 3 ) 2 -8x

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

= t 3 ( 1 3 ) 2 -81
= t 3 1 2 -81
= 1 3 t -8

Dieser Wert soll ja den Wert -7 besitzen, also gilt:

1 3 t -8 = -7 |⋅ 3
3( 1 3 t -8 ) = -21
t -24 = -21 | +24
t = 3

Steigungswinkel

Beispiel:

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

=>f'(x)= 9 2 x 2 -4x +0

f'(0) = 9 2 0 2 -40 = 9 2 0 +0 = 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'(0)) = arctan(0)) ≈ .

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 10 x 4 -52x +8 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 10 x 4 -52x +8 ab:

f'(x) = 2 5 x 3 -52

Es muss gelten:

2 5 x 3 -52 = -2 | +52
2 5 x 3 = 50 |⋅ 5 2
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)= -2 x 2 + 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 -56.31 ° ?

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 -56.31 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-56.31°) ≈ -1.5

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

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

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

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

f'(0) = -40 + 1 2 t
= 1 2 t

Dieser Wert soll ja ungefähr -1.5 betragen, also gilt:

1 2 t = -1,5 |⋅ 2
t = -3

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -3 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit f(x)= x 2 -6x +10 und g(x)= - x 2 -4x +22 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 -6x +10 = - x 2 -4x +22 | + x 2 +4x -22
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 = 6 2 = 3

x2 = 1 - 25 2 = 1 -5 2 = -4 2 = -2

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 = - 4 2 = -2

x2 = 1 2 + 5 2 = 6 2 = 3

L={ -2 ; 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 -6 , also gilt mf = f'( 3 )= 23 -6 = 0

g'(x)= -2x -4 , also gilt mg = g'( 3 )= -23 -4 = -10

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(0) ≈ 0°

und für den Steigungswinkel von g in S( 3 |g( 3 )) gilt: β = arctan( -10 ) ≈ -84.3°

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

γ = |α - β| = |0° - ( - 84.3 )°| ≈ 84.3°