Mathebattle EduRandomtasks

Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $\frac{1}{5} x^{5} + \frac{1}{3} x^{3}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $\frac{1}{5} x^{5} + \frac{1}{3} x^{3}$

$f'(x) =$ $x^{4} + x^{2}$

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $4 \cdot \sin (x)$ und gib die Steigung von f an der Stelle x= $\frac{1}{2} π$ an:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $4 \cdot \sin (x)$

=> $f'(x) =$ $4 \cdot \cos (x)$

f'( $\frac{1}{2} π$ ) = $4 \cdot \cos (\frac{1}{2} π)$ = $4 \cdot 0$ = 0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{5}{4 x^{2}}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{5}{4 x^{2}}$

= $- \frac{5}{4} x^{- 2}$

=> f'(x) = $\frac{5}{2} x^{- 3}$

$f'(x) =$ $\frac{5}{2 x^{3}}$

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $\frac{3}{2} \sqrt[4]{x} - \frac{4}{3} x^{3}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $\frac{3}{2} \sqrt[4]{x} - \frac{4}{3} x^{3}$

= $\frac{3}{2} x^{\frac{1}{4}} - \frac{4}{3} x^{3}$

=> f'(x) = $\frac{3}{8} x^{- \frac{3}{4}} - 4 x^{2}$

$f'(x) =$ $\frac{3}{8 {(\sqrt[4]{x})}^{3}} - 4 x^{2}$

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von f_t mit $f_{t} (x) =$ $t {(\sqrt[3]{x})}^{2} + 4 x$ im Punkt (1|f_t(1)) den Wert $\frac{8}{3}$ ?

Lösung einblenden

$f(x) =$ $t {(\sqrt[3]{x})}^{2} + 4 x$

= $t x^{\frac{2}{3}} + 4 x$

=> f'(x)= $\frac{2}{3} t x^{- \frac{1}{3}} + 4$

=> $f'(x) =$ $\frac{2 t}{3 \sqrt[3]{x}} + 4$

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

= $\frac{2 t}{3 \cdot \sqrt[3]{1}} + 4$
= $\frac{2 t}{3} + 4$
= $\frac{2}{3} t + 4$

Dieser Wert soll ja den Wert $\frac{8}{3}$ besitzen, also gilt:

$\frac{2}{3} t + 4$	=	$\frac{8}{3}$	\|⋅ 3
$3 (\frac{2}{3} t + 4)$	=	$8$
$2 t + 12$	=	$8$	\| $- 12$
$2 t$	=	$- 4$	\|: $2$
$t$	=	$- 2$

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit $f(x) =$ $- \frac{1}{2} x^{3} + \frac{3}{2} x^{2} - 3$ 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:

$f(x) =$ $- \frac{1}{2} x^{3} + \frac{3}{2} x^{2} - 3$

=> $f'(x) =$ $- \frac{3}{2} x^{2} + 3 x + 0$

f'(3) = $- \frac{3}{2} \cdot 3^{2} + 3 \cdot 3$ = $- \frac{3}{2} \cdot 9 + 9$ = $- \frac{27}{2} + 9$ = $- \frac{9}{2}$ ≈ -4.5

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( $- \frac{9}{2}$ )) ≈ -77.5°.

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

α = -77.5° + 180° = 102.5°.

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 $f(x) =$ $- \frac{3}{16} x^{4} - 49 x + 6$ angelegt.

Bestimme x_0.

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 $f(x) =$ $- \frac{3}{16} x^{4} - 49 x + 6$ ab:

f'(x) = $- \frac{3}{4} x^{3} - 49$

Es muss gelten:

$- \frac{3}{4} x^{3} - 49$	=	$- 1$	\| $+ 49$
$- \frac{3}{4} x^{3}$	=	$48$	\|⋅ $(- \frac{4}{3})$
$x^{3}$	=	$- 64$	\| $\sqrt[3]{\cdot}$
$x$	=	$- \sqrt[3]{64}$	= $- 4$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ -4.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion f_t mit $f_{t} (x) =$ $2 x^{2} + t x$ für jedes t durch den Ursprung verläuft.

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

Lösung einblenden

f_t(0) = 0, also verläuft der Graph von f_t für jedes t durch den Ursprung O(0|0).

Für den Steigungswinkel α gilt ja:

tan(α)=m = $\frac{Gegenkathete}{Ankathete}$ = $\frac{y-Zuwachs}{x-Zuwachs}$

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 f_t' bei x=0 berechnen:

$f(x) =$ $2 x^{2} + t x$

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

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

f'(0) = $4 \cdot 0 + t$
= $t$

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 $f(x) =$ $x^{2} + 2 x - 6$ und $g(x) =$ $- x^{2} + 4 x - 2$ 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} + 2 x - 6

=

- x^{2} + 4 x - 2

|

+ x^{2}

- 4 x

+ 2

2 x^{2} - 2 x - 4

= 0 |:2

$x^{2} - x - 2$ = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x_1,2 = $\frac{- b \pm \sqrt{b^{2} - 4 a \cdot c}}{2 a}$ ergibt:

x_1,2 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{{(- 1)}^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 2)}}{2 \cdot 1}$

x_1,2 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{1 + 8}}{2}$

x_1,2 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{9}}{2}$

x₁ = $\frac{1 + \sqrt{9}}{2}$ = $\frac{1+3}{2}$ = $\frac{4}{2}$ = $2$

x₂ = $\frac{1 - \sqrt{9}}{2}$ = $\frac{1-3}{2}$ = $\frac{- 2}{2}$ = $- 1$

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x_1,2 = $- \frac{p}{2}$ ± $\sqrt{{(\frac{p}{2})}^{2} - q}$
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ${(\frac{p}{2})}^{2} - q$ :

D = ${(- \frac{1}{2})}^{2} - (- 2)$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $2$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $\frac{8}{4}$ = $\frac{9}{4}$

x_1,2 = $\frac{1}{2}$ ± $\sqrt{\frac{9}{4}}$

x₁ = $\frac{1}{2}$ - $\frac{3}{2}$ = $- \frac{2}{2}$ = -1

x₂ = $\frac{1}{2}$ + $\frac{3}{2}$ = $\frac{4}{2}$ = 2

L={ $- 1$ ; $2$ }

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:

$f'(x) =$ $2 x + 2$ , also gilt m_f = f'( $2$ )= $2 \cdot 2 + 2$ = $6$

$g'(x) =$ $- 2 x + 4$ , also gilt m_g = g'( $2$ )= $- 2 \cdot 2 + 4$ = 0

Mit den Tangentensteigungen kann man nun die Steigungswinkel dieser Tangenten mit der Formel tan(α) = m = $\frac{y-Zuwachs}{x-Zuwachs}$

Somit gilt für den Steigungswinkel von f in S( $2$ |f( $2$ )): α = arctan( $6$ ) ≈ 80.5°

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| = |80.5° - 0°| ≈ 80.5°

Aufgabentypen anhand von Beispielen durchstöbern

Ableiten (ganzrational)

Ableiten an einem Punkt

Ableiten mit x im Nenner

Ableiten mit Wurzeln

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Steigungswinkel

Steigungswinkel rückwärts

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Schnittwinkel zweier Kurven

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):