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Algebraische Funktionen

Kehrwertfunktion f(x) = 1/x: Graph, Ableitung, Integral, Grenzwerte

Die Kehrwertfunktion 1/x: Hyperbel und Asymptoten, die Ableitung -1/x², warum ihr Integral ln|x| + C ist, und ihre einseitigen Grenzwerte.

Algebraische Funktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = \frac{1}{x}
Definitionsbereich
x \ne 0
Wertebereich
y \ne 0
Ableitung
-\frac{1}{x^2}
Integral
\ln|x| + C
Asymptoten
x = 0 und y = 0
Symmetrie
Ungerade: f(-x) = -f(x)
Auf dieser Seite
  1. Formel
  2. Graph von 1/x
  3. Wichtige Eigenschaften
  4. Grenzwerte von 1/x
  5. Ableitung von 1/x
  6. Integral von 1/x
  7. Rechenbeispiele
  8. Häufige Fehler
  9. Zusammenhänge

Die Kehrwertfunktion f(x) = \frac{1}{x} ordnet jeder Zahl ihren Kehrwert zu. Sie ist die einfachste gebrochenrationale Funktion, die Potenzfunktion mit Exponent -1 und das Standardbeispiel für unendliche Grenzwerte, Asymptoten und die Ableitung des natürlichen Logarithmus.

Formel

f(x) = \frac{1}{x} = x^{-1}, \qquad x \ne 0

Graph von 1/x

Der Graph ist eine Hyperbel mit zwei Ästen, einer im ersten und einer im dritten Quadranten.

Graph der Kehrwertfunktion y = 1/x
Der Graph nähert sich der senkrechten Asymptote x = 0 und der waagerechten Asymptote y = 0, ohne eine von beiden zu berühren.

Wichtige Eigenschaften

  • Definitions- und Wertebereich. Jeweils alle reellen Zahlen außer 0.
  • Ungerade Funktion. \frac{1}{-x} = -\frac{1}{x}, der Graph ist also punktsymmetrisch zum Ursprung.
  • Asymptoten. Senkrechte Asymptote x = 0, waagerechte Asymptote y = 0.
  • Ihre eigene Umkehrfunktion. Löst man y = \frac{1}{x} nach x auf, erhält man x = \frac{1}{y}. Also gilt f^{-1} = f, und der Graph ist symmetrisch zur Geraden y = x.
  • Unstetig nur bei 0, und diese Stelle gehört nicht zum Definitionsbereich. Auf ihrem Definitionsbereich ist sie stetig.

Grenzwerte von 1/x

\lim_{x \to 0^+}\frac{1}{x} = +\infty, \qquad \lim_{x \to 0^-}\frac{1}{x} = -\infty, \qquad \lim_{x \to \pm\infty}\frac{1}{x} = 0

Da die einseitigen Grenzwerte bei 0 verschieden sind, existiert \lim_{x \to 0}\frac{1}{x} nicht. Der Grenzwert im Unendlichen ist der Grundbaustein für Grenzwerte im Unendlichen aller gebrochenrationalen Funktionen.

Ableitung von 1/x

\frac{d}{dx}\,\frac{1}{x} = -\frac{1}{x^2}

Das folgt aus der Potenzregel mit n = -1. Die Ableitung ist überall, wo sie definiert ist, negativ. Die Funktion fällt also auf jedem Ast, und die Tangenten werden in der Nähe von 0 steiler und weit weg flacher. Die zweite Ableitung ist \frac{2}{x^3}: linksgekrümmt für x > 0, rechtsgekrümmt für x < 0.

Integral von 1/x

\int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + C

Die umgekehrte Potenzregel würde \frac{x^0}{0} liefern, was nicht definiert ist. Daher ist \frac{1}{x} die einzige Potenz, deren Stammfunktion ein natürlicher Logarithmus ist. Der Betrag deckt negative x ab: Für x < 0 gilt \frac{d}{dx}\ln(-x) = \frac{-1}{-x} = \frac{1}{x}.

Ein bestimmtes Integral darf nicht über x = 0 hinweg laufen: \int_{-1}^{1}\frac{1}{x}\,dx ist ein uneigentliches Integral, das divergiert.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Tangente. Bei x = 2 ist f(2) = \frac{1}{2} und f'(2) = -\frac{1}{4}, die Tangente lautet also y = \frac{1}{2} - \frac{1}{4}(x - 2) = -\frac{1}{4}x + 1.

Beispiel 2: bestimmtes Integral. \int_1^e \frac{1}{x}\,dx = \ln e - \ln 1 = 1.

Beispiel 3: ein verschobener Kehrwert. \frac{d}{dx}\frac{3}{x - 1} = -\frac{3}{(x - 1)^2} und \int \frac{3}{x - 1}\,dx = 3\ln|x - 1| + C.

Häufige Fehler

  1. \int \frac{1}{x}\,dx = \frac{x^0}{0} schreiben oder \ln x ohne Betrag.
  2. Das Vorzeichen der Ableitung falsch setzen. \frac{d}{dx}\frac{1}{x} ist -\frac{1}{x^2}, nicht \frac{1}{x^2}.
  3. \frac{1}{x} und x^{-1} als Umkehrfunktion verwechseln. \frac{1}{f(x)} ist ein Kehrwert, während f^{-1}(x) meist die Umkehrfunktion bezeichnet. Bei \frac{1}{x} stimmen beide zufällig überein, was ungewöhnlich ist.
  4. Über die Asymptote hinweg integrieren, als wäre die Funktion dort stetig.

Zusammenhänge

Die Fläche unter \frac{1}{t} von 1 bis x ist genau \ln x, und so kann man den natürlichen Logarithmus sogar definieren. Die Seite zu Potenzfunktionen behandelt die Familie x^n, zu der \frac{1}{x} gehört, und die harmonische Reihe \sum \frac{1}{n} ist ihr diskretes Gegenstück.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Ableitung von 1/x?

Schreibe \frac{1}{x} = x^{-1} und wende die Potenzregel an: \frac{d}{dx}x^{-1} = -x^{-2} = -\frac{1}{x^2}.

Was ist das Integral von 1/x?

Das Integral ist \int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + C. Die umgekehrte Potenzregel versagt hier, weil man durch n + 1 = 0 teilen müsste. Durch den Betrag gilt die Formel auch für negative x.

Was ist der Grenzwert von 1/x für x gegen 0?

Der Grenzwert existiert nicht. Von rechts gilt \frac{1}{x} \to +\infty, von links \frac{1}{x} \to -\infty, die beiden einseitigen Grenzwerte stimmen also nicht überein.

Ist 1/x monoton fallend?

Sie fällt auf (-\infty, 0) und auf (0, \infty) jeweils für sich, da ihre Ableitung negativ ist. Auf dem gesamten Definitionsbereich ist sie nicht fallend, denn \frac{1}{-1} = -1 < 1 = \frac{1}{1}.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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