Analysis 1: Lernpaket

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

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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: lim_x→∞ (1 + a/x)^bx = e^ab
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

Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven: ∫_a^b (f − g) dx

Methode

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

2Übungsaufgaben

1.GrenzwerteMittel

Bestimme den Grenzwert L = lim_x→∞ (1 + 1/x)^3x. Gib einen Dezimalwert an.

f(x) = (1 + 1/x)^3xx → ∞

L =

2.GrenzwerteSchwer

Bestimme den Grenzwert L = lim_x→0 (1 − cos 3x)/(4x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 3x)/(4x²)x → 0

L =

3.AbleitungenMittel

Gegeben ist f(x) = x²·e^0,5x. Bestimme f′(1).

f(x) = x²·e^0,5xx = 1

f′(1) =

4.AbleitungenSchwer

Gegeben ist f(x) = x³ + 3x² − 4. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.

f(x) = x³ + 3x² − 4

x =

5.OptimierungMittel

Eine offene Schachtel (ohne Deckel) mit quadratischer Grundfläche soll 32000 cm³ fassen. Verwende möglichst wenig Material, also die kleinste Fläche aus Boden und vier Seiten. Bestimme die Höhe h.

V = 32000 cm³

h = cm

6.OptimierungSchwer

Ein kleines Unternehmen verkauft sein Produkt zu einem festen Marktpreis von 25 € pro Stück. Die Produktion von q Stück kostet C(q) = 100 + 10q + 0,2q² Euro. Bestimme den maximalen Gewinn P.

p = €25C = 100 + 10q + 0,2q²

P = €

7.IntegraleMittel

Berechne I = ∫₀¹ 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 1]

I =

8.IntegraleSchwer

Berechne I = ∫₀^2,5 x²·eˣ dx.

∫₀^2,5 x²eˣ dx

I =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 20,09

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).

Den Logarithmus bilden

ln L = lim_x→∞ 3·x·ln(1 + 1/x)

Auswerten

ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 3·1 = 3

Den Logarithmus rückgängig machen

L = e³ = 20,09

Antwort

L = 20,09

2.Grenzwerte

Antwort: L = 1,125

Erste Anwendung

3·sin 3x/(8x) → 0/0

Zweite Anwendung

9·cos 3x/8

x = 0 einsetzen

L = 9/8 = 1,125

Antwort

L = 1,125

3.Ableitungen

Antwort: f′(1) = 4,122

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.

Produktregel

f′(x) = u′v + uv′ = e^0,5x·(2x + 0,5·x²)

Einsetzen

f′(1) = 1,649·(2 + 0,5) = 4,122

Antwort

f′(1) = 4,122

4.Ableitungen

Antwort: x = −2

Ableitung

f′(x) = 3x² + 6x = 3·(x² + 2x)

f′(x) = 0 lösen

x = −2 oder x = 0

Welches ist welches

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

f″(−2) = −6, f″(0) = 6

x = −2

Antwort

x = −2

5.Optimierung

Antwort: h = 20 cm

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 + 128000/x

Ableitung gleich null setzen

S″(x) = 2 + 256000/x³ > 0, also ist das ein Minimum.

x³ = 64000 → x = 40 cm

Höhe und Oberfläche

h = 32000/40² = 20 cm

S = 40² + 128000/40 = 4800 cm²

Antwort

h = 20 cm

Die beste offene Schachtel ist halb so hoch wie breit.

6.Optimierung

Antwort: P = 181,3 €

Gewinnfunktion

P(q) = 25q − (100 + 10q + 0,2q²) = −0,2q² + 15q − 100

Ableitung gleich null setzen

P″(q) = −0,4 < 0, also ist das ein Maximum.

15 − 0,4q = 0 → q = 37,5

Maximaler Gewinn

P = 15·37,5 − 0,2·37,5² − 100 = €181,3

Antwort

P = €181,3

7.Integrale

Antwort: I = 2,333

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.

Substitution

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁² u² du

Integrieren und auswerten

I = [u³/3]₁² = (8 − 1)/3 = 2,333

Antwort

I = 2,333

8.Integrale

Antwort: I = 37,59

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.

Erste Runde

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Zweite Runde

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ

∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Grenzwerte

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Antwort

I = 37,59

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