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Algebraische Funktionen

Potenzfunktionen f(x) = xⁿ: Graphen, Ableitung, Integral, Regeln

Potenzfunktionen f(x) = xⁿ für natürliche, negative und gebrochene n: Graphen, Definitionsbereich, Ableitung nxⁿ⁻¹, Integral und der Sonderfall n = -1.

Algebraische Funktionen Aktualisiert 2 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = x^n
Definitionsbereich
Alle reellen Zahlen für natürliches n \ge 0; x \ne 0 für negatives n
Ableitung
nx^{n-1}
Integral
\frac{x^{n+1}}{n+1} + C
Sonderfall
\int x^{-1}\,dx = \ln|x| + C
Gerade oder ungerade
Gerade für gerades natürliches n, ungerade für ungerades natürliches n
Verläuft durch
(1, 1) für jedes n
Auf dieser Seite
  1. Formel
  2. Graphen von Potenzfunktionen
  3. Ableitung einer Potenzfunktion
  4. Integral einer Potenzfunktion
  5. Rechenbeispiele
  6. Häufige Fehler
  7. Zusammenhänge

Eine Potenzfunktion potenziert die Eingabe mit einem festen Exponenten: f(x) = x^n. Zu dieser Familie gehören Parabeln, kubische Funktionen, Kehrwerte und Wurzeln, und eine einzige Regel, die Potenzregel, leitet sie alle ab.

Formel

f(x) = x^n

Der Exponent n ist eine Konstante. Allgemeiner ist f(x) = kx^n mit einem konstanten Koeffizienten k. Häufige Vertreter:

n Funktion Name
0 1 konstante Funktion
1 x Winkelhalbierende (identische Funktion)
2 x^2 Normalparabel
3 x^3 kubische Funktion
-1 \frac{1}{x} Kehrwertfunktion
\frac{1}{2} \sqrt{x} Wurzelfunktion

Graphen von Potenzfunktionen

Graphen der Potenzfunktionen y = x², y = x³ und y = √x
Jede Potenzfunktion verläuft durch (1, 1). Gerade Potenzen sind symmetrisch zur y-Achse, ungerade Potenzen punktsymmetrisch zum Ursprung.

So prägt der Exponent den Graphen:

  • Gerades natürliches n (x^2, x^4, \ldots): U-förmig, gerade Funktion, Wertebereich [0, \infty).
  • Ungerades natürliches n (x^3, x^5, \ldots): S-förmig, ungerade Funktion, Wertebereich alle reellen Zahlen.
  • Negatives n (x^{-1}, x^{-2}, \ldots): bei 0 nicht definiert, mit einer senkrechten Asymptote bei x = 0 und der waagerechten Asymptote y = 0.
  • Gebrochenes n = \frac{p}{q}: Eine gerade Wurzel (q gerade) schränkt den Definitionsbereich auf x \ge 0 ein; eine ungerade Wurzel erlaubt alle reellen Zahlen.
  • Auf (0, 1) sind höhere Potenzen kleiner, auf (1, \infty) sind höhere Potenzen größer.

Ableitung einer Potenzfunktion

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

Den Exponenten nach vorne ziehen, dann eins abziehen. Das gilt für jede reelle Konstante n, überall dort, wo x^n differenzierbar ist. Für 0 < n < 1, etwa bei \sqrt{x}, wird die Ableitung bei x = 0 unendlich groß, und der Graph hat dort eine senkrechte Tangente.

Integral einer Potenzfunktion

\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C, \qquad n \ne -1

Den Exponenten um eins erhöhen, dann durch den neuen Exponenten teilen. Im Fall n = -1 würde man durch null teilen; stattdessen gilt

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

Siehe die Potenzregel für Integrale.

Rechenbeispiele

Beispiel 1. \frac{d}{dx}x^7 = 7x^6.

Beispiel 2: negativer Exponent. \frac{d}{dx}\frac{4}{x^3} = \frac{d}{dx}4x^{-3} = -12x^{-4} = -\frac{12}{x^4}.

Beispiel 3: gebrochener Exponent. \frac{d}{dx}\sqrt[3]{x} = \frac{d}{dx}x^{1/3} = \frac{1}{3}x^{-2/3}.

Beispiel 4: Integral. \int x^{3/2}\,dx = \frac{x^{5/2}}{5/2} + C = \frac{2}{5}x^{5/2} + C.

Beispiel 5: bestimmtes Integral. \int_1^4 \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx = \left[2x^{1/2}\right]_1^4 = 4 - 2 = 2.

Häufige Fehler

  1. Die Potenzregel auf 2^x anwenden. Das ist eine Exponentialfunktion; ihre Ableitung ist 2^x\ln 2.
  2. Bei negativen Exponenten in die falsche Richtung eins abziehen. x^{-3} hat die Ableitung -3x^{-4}, nicht -3x^{-2}.
  3. Die Integralformel bei n = -1 anwenden. \frac{x^0}{0} ist sinnlos; verwende \ln|x|.
  4. Nicht vorher umschreiben. Schreibe \frac{1}{x^2} als x^{-2} und \sqrt{x} als x^{1/2}, bevor du eine der Regeln anwendest.

Zusammenhänge

Summen von Potenzfunktionen mit natürlichen Exponenten sind ganzrationale Funktionen, und Potenzreihen erweitern diese Idee auf unendlich viele Terme. Eine ausführlichere Anleitung mit Übungsaufgaben findest du im Leitfaden zur Potenzregel und zu Stammfunktionen.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist eine Potenzfunktion?

Eine Potenzfunktion hat die Form f(x) = x^n (oder kx^n), wobei der Exponent n eine Konstante ist. Beispiele sind x^3, x^{-1} = \frac{1}{x} und x^{1/2} = \sqrt{x}.

Was ist die Ableitung von x hoch n?

Nach der Potenzregel gilt \frac{d}{dx}x^n = nx^{n-1}. Das gilt für jede reelle Konstante n, auch für negative und gebrochene Exponenten.

Was ist das Integral von x hoch n?

Für n \ne -1 gilt \int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C. Für n = -1 würde die Formel durch null teilen, und das Integral ist stattdessen \ln|x| + C.

Was ist der Unterschied zwischen einer Potenzfunktion und einer Exponentialfunktion?

Bei einer Potenzfunktion wie x^2 ist die Variable die Basis und der Exponent fest. Bei einer Exponentialfunktion wie 2^x ist die Basis fest und die Variable steht im Exponenten, und die Ableitungsregeln sind völlig anders.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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