Aufgabenbeispiele von Anwendungen
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Fläche zwischen Wendetangente und Achsen
Beispiel:
Die Wendetangente des Graphen der Funktion f mit (Tangente im Wendepunkt) schließt mit den Koordinatenachsen eine Dreiecksfläche ein.
Berechne den Inhalt dieser Fläche.
Zuerst muss natürlich mal der Wendepunkt berechnet werden:
Als erstes leitet man die Funktion drei mal ab.
=
=
=
Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.
(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').
Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.
= | | | ||
= | |: | ||
= |
Die Lösung x= ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.
Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in die dritte Ableitung.
Ist die dritte Ableitung des Punktes ungleich 0, so handelt es sich um einen Wendepunkt (hinreichende Bedingung: f''(x0)=0 und f'''(x0)≠0).
Überprüfung bei x = :
f'''() = =
Da f'''()≠0, haben wir bei x = einen Wendepunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzen werden.
f() =
=
Man erhält so den Wendepunkt: WP(|
)
Jetzt müssen wir die Tangente im Wendepunkt anlegen:
Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:
=
=
=
Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 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
=
=
=
Wir erhalten so also den Punkt B(3| ) als Berührpunkt.
Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:
= ⋅3 + c
= + c | +
= c
also c=
Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= ⋅x +
Jetzt brauchen wir noch die Schnittpunkte der Wendetangente mit der x- und der y-Achse:
Der Schnittpunkt mit der y-Achse kennen wir bereits, das ist ja der y-Achsenabschnitt c = 6.
Der Schnittpunkt mit der x-Achse können wir berechnen, in dem wir in die Tangentengleichung y = 0 einsetzen:
= | | | ||
= | |:() | ||
= |
Die Wendetangente schneidet somit die x-Achse in N( |0).
Da die gesuchte Fläche ja ein rechtwinkliges Dreieck mit den Katheten 6 und ist, gilt für den Flächeninhalt:
A = ⋅ 6 = .
Anwendungsaufgaben
Beispiel:
Ein Testfahrzeug fährt mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auf einer Teststrecke. Dabei kann die Geschwindigkeit zur Zeit x (in Sekunden) für 0 ≤ x ≤ 6 durch die Funktion f mit (in Meter pro Sekunde) angeben werden.
- Wie schnell ist das Fahrzeug nach 4 Sekunden ?
- Wie lang ist der Zeitraum, in dem das Fahrzeug mindestens m/s schnell fährt?
- Zu welcher Zeit (in s) ist das Fahrzeug am schnellsten?
- Bestimme die höchste Geschwindigkeit des Fahrzeugs im angegebenen Zeitraum.
- y-Wert bei x = 4
Hier müssen wir einfach die 4 in den Funktionsterm einsetzen:
f(4) = = = ≈ 10.33 .
Nach 4 s beträgt also der Wert 10.33 m/s.
- x-Bereich, wo f(x) >
Wir suchen hierfür die x-Stellen, an denen der Funktionsterm den Wert einnimmt:
= |⋅ 3 = = | = 0 |:2 = 0
eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):
x1,2 =
x1,2 =
x1,2 =
x1 = = =
- 2 - 2 1 x2 =
.- 6 - 16 - 2 - 6 - 4 - 2 - 10 - 2 5 Bei
1 5 - 2 3 ⋅ 3 2 + 4 ⋅ 3 + 5 In den 4 s zwischen
1 5 25 3 - x-Wert des Maximums (HP)
Gesucht ist die Stelle mit dem höchsten Funktionswert, also der x-Wert des Hochpunkts.
Detail-Rechnung für den Hochpunkt ( |3 11 Der einzige Hochpunkt im gegebenen Bereich liegt also bei
.3 Der Vollständigkeit wegen müssen wir noch die Randwerte untersuchen, an denen ja ein noch größerer Funktionswert auftreten könnte:
f(0) = 5 und f(6) = 5 sind aber beide nicht größer als der y-Wert des Hochpunkt.
Der größte Wert wird also nach
s erreicht.3 - y-Wert des Maximums (HP)
Gesucht ist der höchste Funktionswert, also der y-Wert des Hochpunkts.
(die Berechnungen der Extrempunkte und die Randwertuntersuchungen wurde ja bereits oben durchgeführt)
Der einzige Hochpunkt im gegebenen Bereich liegt also bei (
|3 11 Der größte Wert beträgt somit
11