Mathebattle EduRandomtasks

Ableiten (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $- \frac{1}{5} x^{5} + 2 x^{4}$ und vereinfache:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $- \frac{1}{5} x^{5} + 2 x^{4}$

$f'(x) =$ $- x^{4} + 8 x^{3}$

Ableiten an einem Punkt

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit $f(x) =$ $\frac{5}{x}$ und gib die Steigung von f an der Stelle x=2 an:

Lösung einblenden

$f(x) =$ $\frac{5}{x}$

= $5 x^{- 1}$

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

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

f'(2) = $- \frac{5}{2^{2}}$ = $- 5 \cdot (\frac{1}{4})$ = $- \frac{5}{4}$ ≈ -1.25

Ableiten mit x im Nenner

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

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

Ableiten mit Wurzeln

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

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

Ableiten an Punkt mit Parameter (ration. Exp.)

Beispiel:

Für welches t hat die Steigung der Tangente an den Graph von f_t mit $f_{t} (x) =$ $5 x^{5} + 3 t x$ im Punkt (-1|f_t(-1)) den Wert $16$ ?

Lösung einblenden

$f(x) =$ $5 x^{5} + 3 t x$

=> $f'(x) =$ $25 x^{4} + 3 t$

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

= $25 \cdot {(- 1)}^{4} + 3 t$
= $25 + 3 t$

Dieser Wert soll ja den Wert $16$ besitzen, also gilt:

$3 t + 25$	=	$16$	\| $- 25$
$3 t$	=	$- 9$	\|: $3$
$t$	=	$- 3$

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit $f(x) =$ $\frac{1}{2} x^{2} + \frac{3}{2} x - 5$ 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:

$f(x) =$ $\frac{1}{2} x^{2} + \frac{3}{2} x - 5$

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

f'(-3) = $- 3 + \frac{3}{2}$ = $- \frac{6}{2} + \frac{3}{2}$ = $- 3 + \frac{3}{2}$ = $- \frac{3}{2}$ ≈ -1.5

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( $- \frac{3}{2}$ )) ≈ -56.3°.

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 $f(x) =$ $x^{2} - 10 x + 1$ 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 $f(x) =$ $x^{2} - 10 x + 1$ ab:

f'(x) = $2 x - 10$

Es muss gelten:

$2 x - 10$	=	$2$	\| $+ 10$
$2 x$	=	$12$	\|: $2$
$x$	=	$6$

Die gesuchte Stelle ist somit x₀ ≈ 6.

Steigungswinkel rückwärts (Param.)

Beispiel:

Begründe, dass der Graph der Funktion f_t mit $f_{t} (x) =$ $x^{4} + \frac{1}{5} t x$ für jedes t durch den Ursprung verläuft.

Für welches ganzzahlige t beträgt der Steigungswinkel des Graphen von f_t im Ursprung ungefähr 67.38 ° ?

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 67.38 ° beträgt, muss für die Steigung im Ursprung gelten:

m = tan(67.38°) ≈ 2.4

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

$f(x) =$ $x^{4} + \frac{1}{5} t x$

=> $f'(x) =$ $4 x^{3} + \frac{1}{5} t$

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

f'(0) = $4 \cdot 0^{3} + \frac{1}{5} t$
= $\frac{1}{5} t$

Dieser Wert soll ja ungefähr 2.4 betragen, also gilt:

$\frac{1}{5} t$	=	$2,4$	\|⋅ 5
$t$	=	$12$

Als ganzzahligen Wert können wir somit t = 12 nehmen.

Schnittwinkel zweier Kurven

Beispiel:

Die Graphen der beiden Funktionen f und g mit $f(x) =$ $x^{2} + 1$ und $g(x) =$ $- x^{2} - 4 x + 7$ 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} + 1

=

- x^{2} - 4 x + 7

|

+ x^{2}

+ 4 x

- 7

2 x^{2} + 4 x - 6

= 0 |:2

$x^{2} + 2 x - 3$ = 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 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{2^{2} - 4 \cdot 1 \cdot (- 3)}}{2 \cdot 1}$

x_1,2 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{4 + 12}}{2}$

x_1,2 = $\frac{- 2 \pm \sqrt{16}}{2}$

x₁ = $\frac{- 2 + \sqrt{16}}{2}$ = $\frac{- 2+4}{2}$ = $\frac{2}{2}$ = $1$

x₂ = $\frac{- 2 - \sqrt{16}}{2}$ = $\frac{- 2-4}{2}$ = $\frac{- 6}{2}$ = $- 3$

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 = $1^{2} - (- 3)$ = $1$ $+$ $3$ = $4$

x_1,2 = $- 1$ ± $\sqrt{4}$

x₁ = $- 1$ - $2$ = -3

x₂ = $- 1$ + $2$ = 1

L={ $- 3$ ; $1$ }

Um den Schnittwinkel zu berechnen brauchen wir zuerst die Steigungswinkel der beiden Graphen im Schnittpunkt S( $1$ |f( $1$ )).

Dazu leiten wir die beiden Funktionen ab und setzen den x-Wert des Schnittpunkts x = $1$ in die Ableitungen ein um die Tangentensteigungen zu erhalten:

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

$g'(x) =$ $- 2 x - 4$ , also gilt m_g = g'( $1$ )= $- 2 \cdot 1 - 4$ = $- 6$

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( $1$ |f( $1$ )): α = arctan( $2$ ) ≈ 63.4°

und für den Steigungswinkel von g in S( $1$ |g( $1$ )) gilt: β = arctan( $- 6$ ) ≈ -80.5°

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

γ = |α - β| = |63.4° - ( - 80.5 )°| ≈ 143.9°

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° - 143.9° = 36.1° .

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):