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Algebraische Funktionen

Lineare Funktion f(x) = mx + b: Graph, Steigung, Ableitung, Integral

Die lineare Funktion f(x) = mx + b: Steigung und y-Achsenabschnitt, der Graph als Gerade, warum die Ableitung die Steigung m ist, Integral und Beispiele.

Algebraische Funktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = mx + b
Definitionsbereich
(-\infty, \infty)
Wertebereich
(-\infty, \infty) für m \ne 0
Ableitung
m
Integral
\frac{m}{2}x^2 + bx + C
Steigung
m = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}
y-Achsenabschnitt
(0, b)
Auf dieser Seite
  1. Formel und Darstellungsformen
  2. Graph einer linearen Funktion
  3. Ableitung einer linearen Funktion
  4. Integral einer linearen Funktion
  5. Rechenbeispiele
  6. Häufige Fehler
  7. Zusammenhänge

Eine lineare Funktion hat eine konstante Änderungsrate, daher ist ihr Graph eine Gerade. In der Schreibweise f(x) = mx + b ist die Zahl m die Steigung (um wie viel f pro Einheit von x steigt) und b der y-Achsenabschnitt (der Funktionswert bei x = 0).

Formel und Darstellungsformen

f(x) = mx + b

Dieselbe Gerade lässt sich auch anders schreiben, je nachdem, was du kennst:

Form Gleichung Verwende sie, wenn du Folgendes kennst
Normalform y = mx + b die Steigung und den y-Achsenabschnitt
Punkt-Steigungs-Form y - y_1 = m(x - x_1) die Steigung und einen Punkt
Allgemeine Form Ax + By = C eine Gleichung, die du umstellen willst

Die Punkt-Steigungs-Form wird in der Analysis am häufigsten verwendet, weil eine Tangente aus einem Punkt (a, f(a)) und einer Steigung f'(a) aufgebaut wird.

Graph einer linearen Funktion

Graph der linearen Funktionen y = 2x + 1 und y = -0.5x + 3
Eine positive Steigung lässt die Gerade von links nach rechts steigen, eine negative lässt sie fallen. Jede Gerade schneidet die y-Achse in ihrem Achsenabschnitt b.
  • m > 0: steigend. m < 0: fallend. m = 0: eine waagerechte Gerade, die konstante Funktion.
  • Je größer |m| ist, desto steiler ist die Gerade.
  • Die Nullstelle, also der Schnittpunkt mit der x-Achse, liegt dort, wo mx + b = 0 ist, also bei x = -\frac{b}{m} für m \ne 0.

Ableitung einer linearen Funktion

\frac{d}{dx}(mx + b) = m

Die Ableitung von mx ist nach der Potenzregel und der Faktorregel gleich m, und die Ableitung von b ist 0. Das passt zur Geometrie: Die Tangente an eine Gerade ist die Gerade selbst, und ihre Steigung ändert sich nie. Die zweite Ableitung ist 0, eine Gerade hat also keine Krümmung.

Integral einer linearen Funktion

\int (mx + b)\,dx = \frac{m}{2}x^2 + bx + C

Integriert man eine Gerade, erhält man eine quadratische Funktion. Beim bestimmten Integral über [a, b] ist die Fläche unter einer Geraden ein Trapez (oder zwei Dreiecke, falls sie die Achse schneidet), sodass du jedes Ergebnis geometrisch überprüfen kannst.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Steigung aus zwei Punkten. Bestimme die Gerade durch (1, 3) und (4, 9).

m = \frac{9 - 3}{4 - 1} = 2, \qquad y - 3 = 2(x - 1) \;\Rightarrow\; y = 2x + 1

Beispiel 2: Ableitung. Für f(x) = -4x + 7 gilt f'(x) = -4 für jedes x.

Beispiel 3: bestimmtes Integral. Berechne \int_0^2 (3x + 1)\,dx.

\left[\tfrac{3}{2}x^2 + x\right]_0^2 = (6 + 2) - 0 = 8

Probe: Die Fläche ist ein Trapez mit den parallelen Seiten f(0) = 1 und f(2) = 7 und der Breite 2, ihr Inhalt ist also \frac{1 + 7}{2} \cdot 2 = 8.

Beispiel 4: eine Tangente. Die Tangente an y = x^2 bei x = 3 hat die Steigung 2(3) = 6 und verläuft durch (3, 9). Sie ist also die lineare Funktion y = 6x - 9.

Häufige Fehler

  1. Die Reihenfolge in der Steigungsformel vertauschen. Nimm oben und unten denselben Punkt zuerst: \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}, nicht \frac{y_2 - y_1}{x_1 - x_2}.
  2. f(x) = x^2 + 1 als linear bezeichnen. Linear bedeutet, dass die Variable nur in der ersten Potenz vorkommt.
  3. mx zu mx^2 integrieren. Die umgekehrte Potenzregel teilt durch den neuen Exponenten: \int mx\,dx = \frac{m}{2}x^2 + C.
  4. „Lineare Funktion“ mit „linearer Gleichung mit zwei Unbekannten“ verwechseln. Eine senkrechte Gerade x = 2 ist eine lineare Gleichung, aber keine Funktion.

Zusammenhänge

Geraden sind der Grund, warum es Ableitungen gibt: Die Ableitung an einer Stelle ist die Steigung der bestmöglichen Geraden durch diesen Punkt. Diese Idee steckt hinter Tangenten, der linearen Approximation und dem Newton-Verfahren. Geraden sind Polynomfunktionen vom Grad eins, und ihre Integration führt zu quadratischen Funktionen.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Ableitung einer linearen Funktion?

Die Ableitung von f(x) = mx + b ist f'(x) = m, die Steigung der Geraden. Eine Gerade steigt bei jedem Schritt um eine Einheit in x um denselben Betrag, ihre Änderungsrate ist also konstant.

Was ist das Integral von mx + b?

Das Integral ist \int (mx + b)\,dx = \frac{m}{2}x^2 + bx + C. Zur Probe kannst du ableiten: Die Ableitung von \frac{m}{2}x^2 + bx ist mx + b.

Wie berechnet man die Steigung einer linearen Funktion aus zwei Punkten?

Verwende m = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}. Für die Punkte (1, 3) und (4, 9) ist die Steigung \frac{9 - 3}{4 - 1} = 2.

Ist eine waagerechte Gerade eine lineare Funktion?

Ja. Eine waagerechte Gerade y = b ist eine lineare Funktion mit der Steigung m = 0 und zugleich eine konstante Funktion. Eine senkrechte Gerade x = a ist dagegen gar keine Funktion.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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