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Algebraische Funktionen

Gebrochenrationale Funktionen: Asymptoten, Lücken, Ableitung

Gebrochenrationale Funktionen P(x)/Q(x): Definitionsbereich, senkrechte und waagerechte Asymptoten, Lücken, Quotientenregel und Partialbruchzerlegung.

Algebraische Funktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = \frac{P(x)}{Q(x)}, \quad Q(x) \ne 0
Definitionsbereich
Alle x mit Q(x) \ne 0
Ableitung
\frac{P'(x)Q(x) - P(x)Q'(x)}{Q(x)^2}
Integral
\int \frac{A}{x - r}\,dx = A\ln|x - r| + C
Senkrechte Asymptoten
Nullstellen von Q, die sich nicht kürzen lassen
Waagerechte Asymptote
Grade von P und Q vergleichen
Integrationsmethode
Polynomdivision, dann Partialbruchzerlegung
Auf dieser Seite
  1. Definition und Formel
  2. Graph einer gebrochenrationalen Funktion
  3. Asymptoten und Lücken
  4. Ableitung einer gebrochenrationalen Funktion
  5. Gebrochenrationale Funktionen integrieren
  6. Rechenbeispiele
  7. Häufige Fehler
  8. Zusammenhänge

Eine gebrochenrationale Funktion ist ein Polynom geteilt durch ein anderes. Sie ist überall definiert, außer dort, wo der Nenner null ist, und gerade das Verhalten in der Nähe dieser Stellen, Asymptoten und Lücken, macht sie so wichtig für Grenzwerte, Kurvendiskussion und Integration.

Definition und Formel

f(x) = \frac{P(x)}{Q(x)}, \qquad Q(x) \ne 0

P und Q sind Polynome, und Q ist nicht das Nullpolynom. Das einfachste Beispiel ist die Kehrwertfunktion \frac{1}{x}. Weitere Beispiele sind \frac{2x + 1}{x - 1} und \frac{x^2 - 4}{x - 2}.

Graph einer gebrochenrationalen Funktion

Graph der gebrochenrationalen Funktion y = (2x + 1)/(x - 1) mit Asymptoten
Die senkrechte Asymptote ist x = 1, die waagerechte Asymptote ist y = 2, der Quotient der Leitkoeffizienten.

Asymptoten und Lücken

Faktorisiere zuerst P und Q vollständig.

  • Lücke. Ein Faktor (x - a), der sich aus Zähler und Nenner kürzen lässt, hinterlässt bei x = a eine hebbare Unstetigkeit. Beispiel: \frac{x^2 - 4}{x - 2} = x + 2 für x \ne 2, eine Gerade mit einer Lücke bei (2, 4).
  • Senkrechte Asymptote. Eine Nullstelle a des Nenners, die nach dem Kürzen übrig bleibt. In der Nähe von x = a strebt die Funktion gegen \pm\infty, die einseitigen Grenzwerte sind also unendlich.
  • Waagerechte Asymptote. Aus den Grenzwerten im Unendlichen, mit \deg P = m und \deg Q = n:
Grade Verhalten für x \to \pm\infty
m < n Asymptote y = 0
m = n Asymptote y = \frac{\text{leading coeff of } P}{\text{leading coeff of } Q}
m = n + 1 schräge Asymptote aus der Polynomdivision
m > n + 1 keine Asymptote in Form einer Geraden

Ableitung einer gebrochenrationalen Funktion

Verwende die Quotientenregel:

\frac{d}{dx}\,\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{P'(x)Q(x) - P(x)Q'(x)}{Q(x)^2}

Die Ableitung ist wieder eine gebrochenrationale Funktion, und dieselben Stellen sind aus ihrem Definitionsbereich ausgeschlossen.

Gebrochenrationale Funktionen integrieren

Es gibt keine einzelne Formel. Das Standardverfahren ist:

  1. Ist \deg P \ge \deg Q, führe eine Polynomdivision durch und erhalte ein Polynom plus einen echt gebrochenen Rest.
  2. Faktorisiere Q und zerlege den echt gebrochenen Rest mit der Partialbruchzerlegung.
  3. Integriere jeden Teil. Lineare Faktoren liefern Logarithmen, \int \frac{A}{x - r}\,dx = A\ln|x - r| + C; nicht zerlegbare quadratische Faktoren liefern Arkustangens-Terme.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Asymptoten. Bei f(x) = \frac{2x + 1}{x - 1} lässt sich nichts kürzen, also ist x = 1 eine senkrechte Asymptote. Die Grade sind gleich, also ist y = \frac{2}{1} = 2 die waagerechte Asymptote.

Beispiel 2: Ableitung. Mit P = 2x + 1 und Q = x - 1:

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

Die Ableitung ist immer negativ, also ist f auf beiden Seiten der Asymptote streng monoton fallend.

Beispiel 3: ein Grenzwert an einer Lücke. \lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2} = \lim_{x \to 2} (x + 2) = 4.

Beispiel 4: Integral mit Partialbruchzerlegung. Da \frac{1}{x^2 - 1} = \frac{1/2}{x - 1} - \frac{1/2}{x + 1} gilt,

\int \frac{1}{x^2 - 1}\,dx = \frac{1}{2}\ln\left|\frac{x - 1}{x + 1}\right| + C

Häufige Fehler

  1. Jede Nullstelle des Nenners zur Asymptote erklären. Kürze zuerst gemeinsame Faktoren; gekürzte Faktoren liefern Lücken.
  2. Summanden statt Faktoren kürzen. \frac{x + 4}{x + 2} \ne \frac{4}{2}. Kürzen darf man nur gemeinsame Faktoren.
  3. Die Reihenfolge in der Quotientenregel vertauschen. Der Zähler ist P'Q - PQ'; vertauscht man ihn, kehrt sich das Vorzeichen um.
  4. Partialbruchzerlegung auf einen unecht gebrochenen Bruch anwenden. Führe zuerst eine Polynomdivision durch, wenn \deg P \ge \deg Q.

Zusammenhänge

Gebrochenrationale Funktionen sind die klassische Quelle für Grenzwerte der Form \frac{0}{0}, der Testfall für die Regel von L'Hospital und das wichtigste Anwendungsgebiet der Partialbruchzerlegung in Analysis 2. Bei ihrer Kurvendiskussion kommt jedes Werkzeug der Kurvendiskussion zum Einsatz.

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Häufig gestellte Fragen

Wie findet man die senkrechten Asymptoten einer gebrochenrationalen Funktion?

Faktorisiere und kürze gemeinsame Faktoren, dann setze den verbleibenden Nenner gleich null. Jede übrig gebliebene Nullstelle liefert eine senkrechte Asymptote; ein gekürzter Faktor liefert stattdessen eine Lücke.

Wie findet man die waagerechte Asymptote einer gebrochenrationalen Funktion?

Vergleiche die Grade. Hat der Nenner den höheren Grad, ist die Asymptote y = 0. Sind die Grade gleich, ist sie der Quotient der Leitkoeffizienten. Hat der Zähler den höheren Grad, gibt es keine waagerechte Asymptote.

Wie leitet man eine gebrochenrationale Funktion ab?

Mit der Quotientenregel: \left(\frac{P}{Q}\right)' = \frac{P'Q - PQ'}{Q^2}. Bei einem einfachen Nenner geht es oft schneller, mit negativem Exponenten umzuschreiben und die Kettenregel zu verwenden.

Wie integriert man eine gebrochenrationale Funktion?

Ist der Zählergrad mindestens so groß wie der Nennergrad, führst du zuerst eine Polynomdivision durch. Dann zerlegst du den echt gebrochenen Rest mit der Partialbruchzerlegung; die Teile ergeben beim Integrieren Logarithmen, Potenzen und Arkustangens-Terme.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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