Mathebattle EduRandomtasks

Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- x^{4} - \frac{1}{3} x^{2}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

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

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

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- x^{4} + 2 x$ und gib die Steigung von f an der Stelle x=0 an:

Lösung einblenden

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

=> $f'(x) =$ $- 4 x^{3} + 2$

f'(0) = $- 4 \cdot 0^{3} + 2$ = $- 4 \cdot 0 + 2$ = $2$

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{7}{2} \cdot \sin (x) + \frac{4}{3 x^{3}}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{7}{2} \cdot \sin (x) + \frac{4}{3 x^{3}}$

= $- \frac{7}{2} \cdot \sin (x) + \frac{4}{3} x^{- 3}$

=> f'(x) = $- \frac{7}{2} \cdot \cos (x) - 4 x^{- 4}$

$f'(x) =$ $- \frac{7}{2} \cdot \cos (x) - \frac{4}{x^{4}}$

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{3}{4} \sqrt{x}$

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

=> f'(x) = $- \frac{3}{8} x^{- \frac{1}{2}}$

$f'(x) =$ $- \frac{3}{8 \sqrt{x}}$

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von f_t mit $f_{t} (x) =$ $3 \cdot \cos (x) + 4 t x$ im Punkt ( $- \frac{1}{2} π$ |f_t( $- \frac{1}{2} π$ )) den Wert $7$ ?

Lösung einblenden

$f(x) =$ $3 \cdot \cos (x) + 4 t x$

=> $f'(x) =$ $- 3 \cdot \sin (x) + 4 t$

Jetzt setzen wir x = $- \frac{1}{2} π$ in die Ableitungsfunktion f' ein:

= $- 3 \cdot \sin ((- \frac{1}{2} π)) + 4 t$
= $- 3 \cdot (- 1) + 4 t$
= $3 + 4 t$

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

$4 t + 3$	=	$7$	\| $- 3$
$4 t$	=	$4$	\|: $4$
$t$	=	$1$

Steigungswinkel

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-2|f(-2)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -2 in die Ableitungsfunktion ein:

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

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

f'(-2) = $- \frac{3}{2} \cdot {(- 2)}^{2} + \frac{3}{2}$ = $- \frac{3}{2} \cdot 4 + \frac{3}{2}$ = $- 6 + \frac{3}{2}$ = $- \frac{9}{2}$ ≈ -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'(-2)) = arctan( $- \frac{9}{2}$ )) ≈ -77.5°.

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 $f(x) =$ $x^{2} + 5 x + 6$ 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 $f(x) =$ $x^{2} + 5 x + 6$ ab:

f'(x) = $2 x + 5$

Es muss gelten:

$2 x + 5$	=	$1$	\| $- 5$
$2 x$	=	$- 4$	\|: $2$
$x$	=	$- 2$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ -2.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion f_t mit $f_{t} (x) =$ $- x^{2} + \frac{1}{3} t x$ 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:

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

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

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

f'(0) = $- 2 \cdot 0 + \frac{1}{3} t$
= $\frac{1}{3} t$

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

$\frac{1}{3} t$	=	$- 3,999$	\|⋅ 3
$t$	=	$- 11,997$

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -12 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit $f(x) =$ $x^{2} - 2$ und $g(x) =$ $- x^{2} - 4 x + 14$ 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^{2} - 4 x + 14

|

+ x^{2}

+ 4 x

- 14

2 x^{2} + 4 x - 16

= 0 |:2

$x^{2} + 2 x - 8$ = 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 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{2^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 8)}}{2 \cdot 1}$

x_1,2 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{4 + 32}}{2}$

x_1,2 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{36}}{2}$

x₁ = $\frac{- 2 + \sqrt{36}}{2}$ = $\frac{- 2+6}{2}$ = $\frac{4}{2}$ = $2$

x₂ = $\frac{- 2 - \sqrt{36}}{2}$ = $\frac{- 2-6}{2}$ = $\frac{- 8}{2}$ = $- 4$

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 = $1^{2} - (- 8)$ = $1$ $+$ $8$ = $9$

x_1,2 = $- 1$ ± $\sqrt{9}$

x₁ = $- 1$ - $3$ = -4

x₂ = $- 1$ + $3$ = 2

L={ $- 4$ ; $2$ }

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:

$f'(x) =$ $2 x$ , also gilt m_f = f'( $2$ )= $2 \cdot 2$ = $4$

$g'(x) =$ $- 2 x - 4$ , also gilt m_g = g'( $2$ )= $- 2 \cdot 2 - 4$ = $- 8$

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( $4$ ) ≈ 76°

und für den Steigungswinkel von g in S( $2$ |g( $2$ )) gilt: β = arctan( $- 8$ ) ≈ -82.9°

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

γ = |α - β| = |76° - ( - 82.9 )°| ≈ 158.9°

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° - 158.9° = 21.1° .

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):