Mathebattle EduRandomtasks

Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

$f(x) =$ $x^{5} - x$

$f'(x) =$ $5 x^{4} - 1$

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 $f(x) =$ $\frac{7}{2} \cdot \cos (x) + \frac{8}{3 x^{4}}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $\frac{7}{2} \cdot \cos (x) + \frac{8}{3 x^{4}}$

= $\frac{7}{2} \cdot \cos (x) + \frac{8}{3} x^{- 4}$

=> f'(x) = $- \frac{7}{2} \cdot \sin (x) - \frac{32}{3} x^{- 5}$

$f'(x) =$ $- \frac{7}{2} \cdot \sin (x) - \frac{32}{3 x^{5}}$

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{9}{2} \sqrt[3]{x} + 2 x^{2}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{9}{2} \sqrt[3]{x} + 2 x^{2}$

= $- \frac{9}{2} x^{\frac{1}{3}} + 2 x^{2}$

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

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

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von f_t mit $f_{t} (x) =$ $7 \sqrt[3]{x} + t x^{2}$ im Punkt (8|f_t(8)) den Wert $- \frac{569}{12}$ ?

Lösung einblenden

$f(x) =$ $7 \sqrt[3]{x} + t x^{2}$

= $7 x^{\frac{1}{3}} + t x^{2}$

=> f'(x)= $\frac{7}{3} x^{- \frac{2}{3}} + 2 t x$

=> $f'(x) =$ $\frac{7}{3 {(\sqrt[3]{x})}^{2}} + 2 t x$

Jetzt setzen wir x = 8 in die Ableitungsfunktion f' ein:

= $\frac{7}{3 {(\sqrt[3]{8})}^{2}} + 2 t \cdot 8$
= $\frac{7}{3 \cdot 2^{2}} + 2 t \cdot 8$
= $\frac{7}{12} + 16 t$

Dieser Wert soll ja den Wert $- \frac{569}{12}$ besitzen, also gilt:

$16 t + \frac{7}{12}$	=	$- \frac{569}{12}$	\|⋅ 12
$12 (16 t + \frac{7}{12})$	=	$- 569$
$192 t + 7$	=	$- 569$	\| $- 7$
$192 t$	=	$- 576$	\|: $192$
$t$	=	$- 3$

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit $f(x) =$ $- \frac{1}{4} x^{2} + \frac{1}{2} x + 6$ 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:

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

=> $f'(x) =$ $- \frac{1}{2} x + \frac{1}{2} + 0$

f'(0) = $- \frac{1}{2} \cdot 0 + \frac{1}{2}$ = $0 + \frac{1}{2}$ = $\frac{1}{2}$ ≈ 0.5

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'(0)) = arctan( $\frac{1}{2}$ )) ≈ 26.6°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x₀|f(x₀)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -71.565° an den Graph der Funktion f mit $f(x) =$ $\frac{3}{2} x^{2} + 12 x + 3$ angelegt.

Bestimme x_0.

Lösung einblenden

Wenn der Steigungswinkel α = -71.565° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-71.565°) ≈ -3 betragen.

Wir suchen also die Stelle x₀, an der die Steigung der Tangente m = -3 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x₀ können wir ja aber mit m = f'(x₀) berechnen, also muss f'(x₀) = -3 gelten.

Wir leiten somit f mit $f(x) =$ $\frac{3}{2} x^{2} + 12 x + 3$ ab:

f'(x) = $3 x + 12$

Es muss gelten:

$3 x + 12$	=	$- 3$	\| $- 12$
$3 x$	=	$- 15$	\|: $3$
$x$	=	$- 5$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ -5.

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 -63.43 ° ?

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 -63.43 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(-63.43°) ≈ -2

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 -2 betragen, also gilt:

$\frac{1}{3} t$	=	$- 2$	\|⋅ 3
$t$	=	$- 6$

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = -6 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit $f(x) =$ $x^{2} + 3 x - 16$ und $g(x) =$ $- x^{2} + x + 8$ 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} + 3 x - 16

=

- x^{2} + x + 8

|

+ x^{2}

- x

- 8

2 x^{2} + 2 x - 24

= 0 |:2

$x^{2} + x - 12$ = 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 = $\frac{- 1 \pm \sqrt{1^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 12)}}{2 \cdot 1}$

x_1,2 = $\frac{- 1 \pm \sqrt{1 + 48}}{2}$

x_1,2 = $\frac{- 1 \pm \sqrt{49}}{2}$

x₁ = $\frac{- 1 + \sqrt{49}}{2}$ = $\frac{- 1+7}{2}$ = $\frac{6}{2}$ = $3$

x₂ = $\frac{- 1 - \sqrt{49}}{2}$ = $\frac{- 1-7}{2}$ = $\frac{- 8}{2}$ = $- 4$

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 = ${(\frac{1}{2})}^{2} - (- 12)$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $12$ = $\frac{1}{4}$ $+$ $\frac{48}{4}$ = $\frac{49}{4}$

x_1,2 = $- \frac{1}{2}$ ± $\sqrt{\frac{49}{4}}$

x₁ = $- \frac{1}{2}$ - $\frac{7}{2}$ = $- \frac{8}{2}$ = -4

x₂ = $- \frac{1}{2}$ + $\frac{7}{2}$ = $\frac{6}{2}$ = 3

L={ $- 4$ ; $3$ }

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:

$f'(x) =$ $2 x + 3$ , also gilt m_f = f'( $3$ )= $2 \cdot 3 + 3$ = $9$

$g'(x) =$ $- 2 x + 1$ , also gilt m_g = g'( $3$ )= $- 2 \cdot 3 + 1$ = $- 5$

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( $9$ ) ≈ 83.7°

und für den Steigungswinkel von g in S( $3$ |g( $3$ )) gilt: β = arctan( $- 5$ ) ≈ -78.7°

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

γ = |α - β| = |83.7° - ( - 78.7 )°| ≈ 162.4°

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° - 162.4° = 17.6° .

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):