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Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

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

$f'(x) =$ $- 2 x^{4} + 0$

= $- 2 x^{4}$

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- 3 x^{4}$ und gib die Steigung von f an der Stelle x=0 an:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- 3 x^{4}$

=> $f'(x) =$ $- 12 x^{3}$

f'(0) = $- 12 \cdot 0^{3}$ = $- 12 \cdot 0$ = 0

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $\frac{5}{4 x^{3}} - \frac{5}{2} \cdot \sin (x)$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $\frac{5}{4 x^{3}} - \frac{5}{2} \cdot \sin (x)$

= $\frac{5}{4} x^{- 3} - \frac{5}{2} \cdot \sin (x)$

=> f'(x) = $- \frac{15}{4} x^{- 4} - \frac{5}{2} \cdot \cos (x)$

$f'(x) =$ $- \frac{15}{4 x^{4}} - \frac{5}{2} \cdot \cos (x)$

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- 3 x^{4} - 5 \sqrt[3]{x}$ und vereinfache:

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$f(x) =$ $- 3 x^{4} - 5 \sqrt[3]{x}$

= $- 3 x^{4} - 5 x^{\frac{1}{3}}$

=> f'(x) = $- 12 x^{3} - \frac{5}{3} x^{- \frac{2}{3}}$

$f'(x) =$ $- 12 x^{3} - \frac{5}{3 {(\sqrt[3]{x})}^{2}}$

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

=> $f'(x) =$ $- \frac{t}{x^{2}} - 6 x$

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

= $- \frac{t}{1^{2}} - 6 \cdot 1$
= $- t - 6$

Dieser Wert soll ja den Wert $- 4$ besitzen, also gilt:

$- t - 6$	=	$- 4$	\| $+ 6$
$- t$	=	$2$	\|:( $- 1$ )
$t$	=	$- 2$

Steigungswinkel

Beispiel:

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

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

=> $f'(x) =$ $\frac{9}{2} x^{2} - 6 x + 0$

f'(2) = $\frac{9}{2} \cdot 2^{2} - 6 \cdot 2$ = $\frac{9}{2} \cdot 4 - 12$ = $18 - 12$ = $6$

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( $6$ )) ≈ 80.5°.

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 $f(x) =$ $\frac{3}{20} x^{4} - 76 x + 5$ angelegt.

Bestimme x_0.

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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 $f(x) =$ $\frac{3}{20} x^{4} - 76 x + 5$ ab:

f'(x) = $\frac{3}{5} x^{3} - 76$

Es muss gelten:

$\frac{3}{5} x^{3} - 76$	=	$- 1$	\| $+ 76$
$\frac{3}{5} x^{3}$	=	$75$	\|⋅ $\frac{5}{3}$
$x^{3}$	=	$125$	\| $\sqrt[3]{\cdot}$
$x$	=	$\sqrt[3]{125}$	= $5$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ 5.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion f_t mit $f_{t} (x) =$ $- x^{4} + t x$ für jedes t durch den Ursprung verläuft.

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

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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:

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

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

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

f'(0) = $- 4 \cdot 0^{3} + t$
= $t$

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 $f(x) =$ $x^{2} + 8 x - 18$ 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} + 8 x - 18

=

- x^{2} + 4 x - 2

|

+ x^{2}

- 4 x

+ 2

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:

$f'(x) =$ $2 x + 8$ , also gilt m_f = f'( $2$ )= $2 \cdot 2 + 8$ = $12$

$g'(x) =$ $- 2 x + 4$ , 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( $12$ ) ≈ 85.2°

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| = |85.2° - 0°| ≈ 85.2°

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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):