Analysis 1: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

1Formeln und Methoden

Grenzwerte

Direktes Einsetzen
setze zuerst x = a ein; 0/0 bedeutet: vereinfachen
Faktorisieren und kürzen
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Konjugierte
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Grenzwerte im Unendlichen
teile durch die höchste Potenz von x; bei gleichem Grad ergibt sich das Verhältnis der Leitkoeffizienten
Spezieller Grenzwert
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Regel von L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Ableitungen

Potenzregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Produktregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotientenregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettenregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Wichtige Ableitungen
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
  2. Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
  3. Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
  4. Vereinfache und werte an der Stelle aus, falls verlangt.

Optimierung

Methode
schreibe Q(x) mit einer Variablen, löse Q′(x) = 0, prüfe Q″ oder die Randpunkte
Maximum
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Minimum
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Geschlossener Zylinder
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Gewinn
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Integrale

Potenzregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bestimmtes Integral
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
  2. Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
  3. Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
  4. Für ein bestimmtes Integral berechnest du F(b) − F(a).

2Übungsaufgaben

1.GrenzwerteMittel
xyy = L

Bestimme den Grenzwert L = limx→∞ (√(4x2 + 8x) − 2x).

f(x) = √(4x2 + 8x) − 2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 5x)/(2x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 5x)/(2x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = −1

Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 2). Bestimme f′(−1).

f(x) = ln(2x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.

f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 1
x =
5.OptimierungMittel
xhxohne Deckel

Eine offene Schachtel (ohne Deckel) mit quadratischer Grundfläche soll 4000 cm³ fassen. Verwende möglichst wenig Material, also die kleinste Fläche aus Boden und vier Seiten. Bestimme die minimale Oberfläche S.

V = 4000 cm³
S = cm²
6.OptimierungSchwer
qP(q)Maximum

Ein kleines Unternehmen verkauft sein Produkt zu einem festen Marktpreis von 30 € pro Stück. Die Produktion von q Stück kostet C(q) = 100 + 12q + 0,25q² Euro. Bestimme den maximalen Gewinn P.

p = €30C = 100 + 12q + 0,25q²
P = €
7.IntegraleMittel
xy2y = x·cos x

Berechne I = ∫₀2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).

∫₀2 x·cos x dx
I =
8.IntegraleSchwer
xy−22

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 4 − x² und der x-Achse.

y = 4 − x²
A =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 2

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Mit der Konjugierten erweitern

f(x) = 8x/(√(4x2 + 8x) + 2x)

Durch x teilen

f(x) = 8/(√(4 + 8/x) + 2)

x → ∞ laufen lassen

L = 8/(2 + 2) = 2

Antwort

L = 2
2.Grenzwerte

Antwort: L = 6,25

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Erste Anwendung

5·sin 5x/(4x) → 0/0

Zweite Anwendung

25·cos 5x/4

x = 0 einsetzen

L = 25/4 = 6,25

Antwort

L = 6,25
3.Ableitungen

Antwort: f′(−1) = −1

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Kettenregel für den Logarithmus

f′(x) = 4x/(2x2 + 2)

Einsetzen

f′(−1) = −4/4 = −1

Antwort

f′(−1) = −1
4.Ableitungen

Antwort: x = 5

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Ableitung

f′(x) = 3x2 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)

f′(x) = 0 lösen

x = 3 oder x = 5

Welches ist welches

f″(x) = 6x − 24: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 5

Antwort

x = 5
5.Optimierung

Antwort: S = 1200 cm²

Optimierung: Schreibe die zu optimierende Größe als Funktion einer Variablen und eliminiere die andere mit der Nebenbedingung. Setze die Ableitung gleich null und löse. Prüfe, ob der kritische Punkt ein Maximum oder Minimum ist (zweite Ableitung oder Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung) und ob er im zulässigen Bereich liegt; ein Randpunkt wie eine Seitenlänge null ist nicht die Lösung.

Flächeninhalt als Funktion von x

S(x) = x² + 16000/x

Ableitung gleich null setzen

S″(x) = 2 + 32000/x³ > 0, also ist das ein Minimum.

x³ = 8000 → x = 20 cm

Höhe und Oberfläche

h = 4000/20² = 10 cm
S = 20² + 16000/20 = 1200 cm²

Antwort

S = 1200 cm²

Die beste offene Schachtel ist halb so hoch wie breit.

6.Optimierung

Antwort: P = 224 €

Optimierung: Schreibe die zu optimierende Größe als Funktion einer Variablen und eliminiere die andere mit der Nebenbedingung. Setze die Ableitung gleich null und löse. Prüfe, ob der kritische Punkt ein Maximum oder Minimum ist (zweite Ableitung oder Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung) und ob er im zulässigen Bereich liegt; ein Randpunkt wie eine Seitenlänge null ist nicht die Lösung.

Gewinnfunktion

P(q) = 30q − (100 + 12q + 0,25q²) = −0,25q2 + 18q − 100

Ableitung gleich null setzen

P″(q) = −0,5 < 0, also ist das ein Maximum.

18 − 0,5q = 0 → q = 36

Maximaler Gewinn

P = 18·36 − 0,25·36² − 100 = €224

Antwort

P = €224
7.Integrale

Antwort: I = 0,4024

Partielle Integration: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, aus der Produktregel. Wähle u als den Faktor, der beim Ableiten einfacher wird (eine Potenz von x oder ln x), und dv als den Faktor, den du integrieren kannst (eˣ, sin x, cos x oder x, wenn u = ln x). Werte bei einem bestimmten Integral u·v an beiden Grenzen aus: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Ein Faktor x² braucht zwei Runden.

u und dv wählen

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Stammfunktion

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Grenzwerte

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024

Antwort

I = 0,4024
8.Integrale

Antwort: A = 10,67

Bestimmte Integrale: ∫ₐᵇ f(x) dx ist die orientierte Fläche zwischen dem Graphen und der x-Achse von a bis b. Finde eine Stammfunktion F (mit F′ = f) und berechne F(b) − F(a). Potenzregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Die Fläche zwischen zwei Kurven ist ∫(obere − untere) dx.

Nullstellen

4 − x² = 0 → x = ±2

Integrieren

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Antwort

A = 10,67

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-1