Aufgabenbeispiele von Differentialrechn. Trigon.

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Trigonometr. Fktn. ableiten

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= 2 sin( x ) +4 cos( x ) +4 und vereinfache:

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f(x)= 2 sin( x ) +4 cos( x ) +4

f'(x)= 2 cos( x ) -4 sin( x ) +0

= 2 cos( x ) -4 sin( x )

Trigonometr. Fktn. in Pkt. ableiten

Beispiel:

Berechne die Ableitung von f mit f(x)= sin( x ) -4 x 3 +1 und gib die Steigung von f an der Stelle x= 2π an:

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f(x)= sin( x ) -4 x 3 +1

=>f'(x)= cos( x ) -12 x 2 +0

f'( 2π ) = cos( 2π ) -12 ( 2π ) 2 = 1 -12 ( 2π ) 2 = 1 -48 π 2 ≈ -472.74

Stelle mit gleichem m wie best. Gerade

Beispiel:

Bestimme alle Stellen im Intervall [0;2π), an denen die Tangente an den Graph der Funktion f mit f(x)= -3 sin( x ) +5x parallel zur Geraden y = 5x +3 ist.

Falls mehrere Lösungen existieren, diese bitte mit Semikolon (;) trennen.

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Die Gerade y = 5x +3 hat als Steigung m = 5 und als y-Achsenabschnitt c = 3 .

Wenn nun die Tangentensteigung an einer Stelle x parallel zur Steigung der gegebenen Geraden sein, soll muss also f '(x) = m =5 gelten.

Zuerst leiten wir mal f(x) ab:

f(x)= -3 sin( x ) +5x

f'(x)= -3 cos( x ) +5

Diese Ableitung muss ja = 5 sein, also setzen wir -3 cos( x ) +5 = 5.

-3 cos( x ) +5 = 5 | -5
-3 cos( x ) = 0 |:-3
canvas
cos( x ) = 0 |cos-1(⋅)

Am Einheitskreis erkennt man sofort:

1. Fall:

x1 = 1 2 π

Am Einheitskreis erkennen wir, dass die Gleichung cos( x ) = 0 noch eine weitere Lösung hat. (die senkrechte turkise Gerade x=0 schneidet den Einheitskreis in einem zweiten Punkt).

Am Einheitskreis erkennen wir auch, dass die andere Lösung einfach (nach unten gespiegelt) bei - 1 2 π
bzw. bei - 1 2 π +2π= 3 2 π liegen muss.

2. Fall:

x2 = 3 2 π

L={ 1 2 π ; 3 2 π }

Zur Probe, ob wir uns verrechnet haben, können wir die Lösung(en) jetzt in die Ableitung einsetzen:

f '( 1 2 π ) = -3 cos( 1 2 π ) +5 = 5

f '( 3 2 π ) = -3 cos( 3 2 π ) +5 = 5

Tangente an trigonom. Fktn.

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= sin( x ) -3x an der Stelle x= π :

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= sin( x ) -3x ,
also

f'(x)= cos( x ) -3

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( π )= cos( π ) -3

= -1 -3

= -4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -4 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( π )= sin( π ) -3π = 0 -3π = -3π ≈ -9.42

Wir erhalten so also den Punkt B( π | -3π ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

-3π = -4 π + c

-3π = -4π + c | + 4π

π = c

also c= π ≈ 3.14

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -4 ⋅x + π oder y=-4x +3.14

Wendetangente an Trigon. Fktn.

Beispiel:

Der Graph der Funktion f mit f(x)= -2 cos( x ) +5 beitzt im Intervall [π,2π[ einen Wendepunkt. Bestimme eine Gleichung der Tangente in diesem Wendepunkt.

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Eine Kosinusfunktion hat ihre Wendepunkte ja immer nach einer Viertel und nach einer Dreiviertel Periode. Und da ja hier im cos drin nur ein "x" steht, ist der Graph von f in x-Richtung weder gestreckt noch verschoben; die Periode ist also 2π und startet bei 0. Somit sind die beiden Wendepunkte bei 1 2 π und 3 2 π. Die gesuchte Wendestelle im Interval [π,2π[ ist somit bei 3 2 π.

Jetzt müssen wir die Tangente in diesem Wendepunkt anlegen:

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( 3 2 π )= 2 sin( 3 2 π )

= 2( -1 )

= -2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -2 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( 3 2 π )= -2 cos( 3 2 π ) +5 = -20 +5 = 0 +5 = 5

Wir erhalten so also den Punkt B( 3 2 π | 5 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

5 = -2 3 2 π + c

5 = -3π + c | + 3π

5 +3π = c

also c= 5 +3π ≈ 14.42

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2 ⋅x + 5 +3π oder y=-2x +14.42