Mathebattle EduRandomtasks

Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

$f'(x) =$ $3 x^{4} + 0$

= $3 x^{4}$

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{2}{x^{3}}$ und gib die Steigung von f an der Stelle x=1 an:

Lösung einblenden

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

= $- 2 x^{- 3}$

=> f'(x) = $6 x^{- 4}$

=> $f'(x) =$ $\frac{6}{x^{4}}$

f'(1) = $\frac{6}{1^{4}}$ = $6 \cdot 1$ = $6$

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{7}{4 x^{4}} + 9 \cdot \sin (x)$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{7}{4 x^{4}} + 9 \cdot \sin (x)$

= $- \frac{7}{4} x^{- 4} + 9 \cdot \sin (x)$

=> f'(x) = $7 x^{- 5} + 9 \cdot \cos (x)$

$f'(x) =$ $\frac{7}{x^{5}} + 9 \cdot \cos (x)$

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

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

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von f_t mit $f_{t} (x) =$ $5 \sqrt{x} + t x$ im Punkt (4|f_t(4)) den Wert $- \frac{11}{4}$ ?

Lösung einblenden

$f(x) =$ $5 \sqrt{x} + t x$

= $5 x^{\frac{1}{2}} + t x$

=> f'(x)= $\frac{5}{2} x^{- \frac{1}{2}} + t$

=> $f'(x) =$ $\frac{5}{2 \sqrt{x}} + t$

Jetzt setzen wir x = 4 in die Ableitungsfunktion f' ein:

= $\frac{5}{2 \cdot \sqrt{4}} + t$
= $\frac{5}{2 \cdot 2} + t$
= $\frac{5}{4} + t$

Dieser Wert soll ja den Wert $- \frac{11}{4}$ besitzen, also gilt:

$t + \frac{5}{4}$	=	$- \frac{11}{4}$	\|⋅ 4
$4 (t + \frac{5}{4})$	=	$- 11$
$4 t + 5$	=	$- 11$	\| $- 5$
$4 t$	=	$- 16$	\|: $4$
$t$	=	$- 4$

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit $f(x) =$ $\frac{1}{4} x^{4} - x^{2}$ 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:

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

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

f'(1) = $1^{3} - 2 \cdot 1$ = $1 - 2$ = $1 - 2$ = $- 1$

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( $- 1$ )) ≈ -45°.

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

α = -45° + 180° = 135°.

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 $f(x) =$ $- \frac{1}{14} x^{4} - 100 x - 5$ angelegt.

Bestimme x_0.

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 $f(x) =$ $- \frac{1}{14} x^{4} - 100 x - 5$ ab:

f'(x) = $- \frac{2}{7} x^{3} - 100$

Es muss gelten:

$- \frac{2}{7} x^{3} - 100$	=	$- 2$	\| $+ 100$
$- \frac{2}{7} x^{3}$	=	$98$	\|⋅ $(- \frac{7}{2})$
$x^{3}$	=	$- 343$	\| $\sqrt[3]{\cdot}$
$x$	=	$- \sqrt[3]{343}$	= $- 7$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ -7.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion f_t mit $f_{t} (x) =$ $3 x^{3} + \frac{1}{3} t x$ für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von f_t im Ursprung ungefähr -71.57 ° ?

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 -71.57 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-71.57°) ≈ -3.001

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

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

=> $f'(x) =$ $9 x^{2} + \frac{1}{3} t$

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

f'(0) = $9 \cdot 0^{2} + \frac{1}{3} t$
= $\frac{1}{3} t$

Dieser Wert soll ja ungefähr -3.001 betragen, also gilt:

$\frac{1}{3} t$	=	$- 3,001$	\|⋅ 3
$t$	=	$- 9,003$

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -9 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit $f(x) =$ $x^{2} - 5 x + 7$ und $g(x) =$ $- x^{2} - 3 x + 19$ 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} - 5 x + 7

=

- x^{2} - 3 x + 19

|

+ x^{2}

+ 3 x

- 19

2 x^{2} - 2 x - 12

= 0 |:2

$x^{2} - x - 6$ = 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 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{{(- 1)}^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 6)}}{2 \cdot 1}$

x_1,2 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{1 + 24}}{2}$

x_1,2 = $\frac{+ 1 \pm \sqrt{25}}{2}$

x₁ = $\frac{1 + \sqrt{25}}{2}$ = $\frac{1+5}{2}$ = $\frac{6}{2}$ = $3$

x₂ = $\frac{1 - \sqrt{25}}{2}$ = $\frac{1-5}{2}$ = $\frac{- 4}{2}$ = $- 2$

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 = ${(- \frac{1}{2})}^{2} - (- 6)$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $6$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $\frac{24}{4}$ = $\frac{25}{4}$

x_1,2 = $\frac{1}{2}$ ± $\sqrt{\frac{25}{4}}$

x₁ = $\frac{1}{2}$ - $\frac{5}{2}$ = $- \frac{4}{2}$ = -2

x₂ = $\frac{1}{2}$ + $\frac{5}{2}$ = $\frac{6}{2}$ = 3

L={ $- 2$ ; $3$ }

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:

$f'(x) =$ $2 x - 5$ , also gilt m_f = f'( $3$ )= $2 \cdot 3 - 5$ = $1$

$g'(x) =$ $- 2 x - 3$ , also gilt m_g = g'( $3$ )= $- 2 \cdot 3 - 3$ = $- 9$

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( $3$ |f( $3$ )): α = arctan( $1$ ) ≈ 45°

und für den Steigungswinkel von g in S( $3$ |g( $3$ )) gilt: β = arctan( $- 9$ ) ≈ -83.7°

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

γ = |α - β| = |45° - ( - 83.7 )°| ≈ 128.7°

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° - 128.7° = 51.3° .

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):