Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= -3 x 3 +3x an der Stelle x= -2 :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -3 x 3 +3x ,
also

f'(x)= -9 x 2 +3

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( -2 )= -9 ( -2 ) 2 +3

= -94 +3

= -36 +3

= -33

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -33 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( -2 )= -3 ( -2 ) 3 +3( -2 ) = -3( -8 ) -6 = 24 -6 = 18

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | 18 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

18 = -33 ⋅( -2 ) + c

18 = 66 + c | -66

-48 = c

also c= -48

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -33 ⋅x -48

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - ( 3x -4 ) 2 +2 an der Stelle x=0:

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - ( 3x -4 ) 2 +2 ,
also

f'(x)= -2( 3x -4 ) · ( 3 +0 )+0

= -2( 3x -4 ) · ( 3 )

= -6( 3x -4 )

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'(0)= -180 +24

= 0 +24

= 24

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 24 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f(0)= - ( 30 -4 ) 2 +2 = - ( 0 -4 ) 2 +2 = - ( -4 ) 2 +2 = -16 +2 = -14

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -14 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

-14 = 24 0 + c

-14 = 0 + c

-14 = c

also c= -14

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 24 ⋅x -14

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - 7 4 e -2( x +2 ) an der Stelle x= -2 :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - 7 4 e -2( x +2 ) ,
also

f'(x)= - 7 4 e -2( x +2 ) · ( -2 )

= 7 2 e -2( x +2 )

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( -2 )= 7 2 e -2( -2 +2 )

= 7 2 e -2 · 0

= 7 2 e 0

= 7 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 7 2 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( -2 )= - 7 4 e -2( -2 +2 ) = - 7 4 e -2 · 0 = - 7 4 e 0 = - 7 4

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | - 7 4 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

- 7 4 = 7 2 ⋅( -2 ) + c

- 7 4 = -7 + c | + 7

21 4 = c

also c= 21 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 7 2 ⋅x + 21 4

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - e x -1 an der Stelle x=0:

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - e x -1 ,
also

f'(x)= - e x -1 · 1

= - e x -1

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'(0)= - e 0 -1

= - e -1

≈ -0.37

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - e -1 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f(0)= - e 0 -1 = - e -1 ≈ -0.37

Wir erhalten so also den Punkt B(0| - e -1 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

- e -1 = - e -1 0 + c

- e -1 = 0 + c

- e -1 = c

also c= - e -1 ≈ -0.37

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - e -1 ⋅x - e -1 oder y=-0.37x -0.37

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 2 sin( x ) +2x an der Stelle x= 3 2 π :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 2 sin( x ) +2x ,
also

f'(x)= 2 cos( x ) +2

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( 3 2 π )= 2 cos( 3 2 π ) +2

= 20 +2

= 0 +2

= 2

Um mit der Tangentensteigung die Steigung der darauf senkrecht stehenden Normalen zu berechnen, verwenden wir die Beziehung:

mn= - 1 mt

also mn= - 1 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= - 1 2 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( 3 2 π )= 2 sin( 3 2 π ) +2( 3 2 π ) = 2( -1 ) +2( 3 2 π ) = -2 +2( 3 2 π ) ≈ 7.42

Wir erhalten so also den Punkt B( 3 2 π | -2 +3π ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

-2 +3π = - 1 2 3 2 π + c

-2 +3π = - 3 4 π + c | + 3 4 π

-2 + 15 4 π = c

also c= -2 + 15 4 π ≈ 9.78

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 2 ⋅x + -2 + 15 4 π oder y=-0.5x +9.78

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(4|24) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= 5 x 2 -3x +1 angelegt werden.
Bestimme alle möglichen Berührpunkte und bestimme (exemplarisch) eine Tangentengleichung an einem dieser Berührpunkte.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 10x -3

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(4|24) an das Schaubild von f angelegt wird, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert u. Der Funktionswert ist dann f(u), da der Berührpunkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem muss die Ableitung in u ja gerade die Tangentensteigung sein, da B(u|f(u)) der Berührpunkt ist.

Wir können also P(4|24) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= 10u -3 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

24 = ( 10u -3 ) · ( 4 - u ) + 5 u 2 -3u +1 | -24

( 10u -3 ) ( 4 - u ) +5 u 2 -3u +1 -24 = 0

-10 u 2 +43u -12 +5 u 2 -3u +1 -24 = 0

-5 u 2 +40u -35 = 0

Die Lösung der Gleichung:

-5 u 2 +40u -35 = 0 |:5

- u 2 +8u -7 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

u1,2 = -8 ± 8 2 -4 · ( -1 ) · ( -7 ) 2( -1 )

u1,2 = -8 ± 64 -28 -2

u1,2 = -8 ± 36 -2

u1 = -8 + 36 -2 = -8 +6 -2 = -2 -2 = 1

u2 = -8 - 36 -2 = -8 -6 -2 = -14 -2 = 7

L={ 1 ; 7 }


Man hat nun also die x-Werte der Berührpunkte. In diesen müssen nun noch Tangenten an den Graphen von f angelegt werden.


An der Stelle x= 1 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 5 x 2 -3x +1 ,
also

f'(x)= 10x -3 +0

= 10x -3

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( 1 )= 101 -3

= 10 -3

= 7

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 7 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( 1 )= 5 1 2 -31 +1 = 51 -3 +1 = 5 -3 +1 = 3

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | 3 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

3 = 7 1 + c

3 = 7 + c | -7

-4 = c

also c= -4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 7 ⋅x -4


An der Stelle x= 7 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 5 x 2 -3x +1 ,
also

f'(x)= 10x -3 +0

= 10x -3

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( 7 )= 107 -3

= 70 -3

= 67

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 67 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( 7 )= 5 7 2 -37 +1 = 549 -21 +1 = 245 -21 +1 = 225

Wir erhalten so also den Punkt B( 7 | 225 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

225 = 67 7 + c

225 = 469 + c | -469

-244 = c

also c= -244

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 67 ⋅x -244

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 6 x -3 beschrieben werden kann. An einer bestimmten Stelle stürzt der Snowboarder und rutscht geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Er trifft den Fangzaun im Punkt (35|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 6 ( x -3 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(35|0) an das Schaubild von f angelegt wird, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert u. Der Funktionswert ist dann f(u), da der Berührpunkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem muss die Ableitung in u ja gerade die Tangentensteigung sein, da B(u|f(u)) der Berührpunkt ist.

Wir können also P(35|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 6 ( u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 6 ( u -3 ) 2 · ( 35 - u ) + 6 u -3

-6 35 - u ( u -3 ) 2 + 6 u -3 = 0 | ⋅ ( u -3 ) 2

( -6 35 - u ( u -3 ) 2 + 6 u -3 ) · ( u -3 ) 2 = 0

-6 35 - u ( u -3 ) 2 · ( u -3 ) 2 + 6 u -3 · ( u -3 ) 2 = 0

-6( 35 - u )+6( u -3 ) = 0

-210 +6u +6u -18 = 0

12u -228 = 0

Die Lösung der Gleichung:

12u -228 = 0 | +228
12u = 228 |:12
u = 19

L={ 19 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 19 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Die Gerade durch den Punkt P(3| 1 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -6x schneidet den Graph von f orthogonal. Bestimme die Koordinaten eines solchen Punkt Q mit positivem x-Wert.

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Gesucht ist der Kurvenpunkt auf dem Graph von f, dessen Normale durch den Punkt P(3| 1 2 ) verläuft.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 2x -6

Wir kennen den Kurvenpunkt von Gf, an dem die gesuchte Normale durch P(3| 1 2 ) geht, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert dieses gesuchten Punktes u. Der Funktionswert ist dann f(u), da dieser Punkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem ist die Tangentensteigung in diesem Kurvenpunkt Q(u|f(u)) die Ableitung f'(u).

Da wir ja aber die Normale und nicht die Tangente suchen, müssen wir den negativen Kehrwert von f'(u) bilden, um die Steigung der Normalen zu erhalten.

mn = - 1 mt = - 1 f '(u) = -1 2u -6 = - 1 2u -6

Wir können also P(3| 1 2 ) als (x|y), den gesuchten Kurvenpunkt Q(u|f(u)) und - 1 f '(u) = - 1 2u -6 in die allgemeine Normalengleichung

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

1 2 = -1 2u -6 · ( 3 - u ) + u 2 -6u | - 1 2

- 3 - u 2u -6 + u 2 -6u - 1 2 = 0

1 2 + u 2 -6u - 1 2 = 0

u 2 -6u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

u 2 -6u +0 = 0
u 2 -6u = 0
u ( u -6 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

u1 = 0

2. Fall:

u -6 = 0 | +6
u2 = 6

L={0; 6 }


Man hat nun also die x-Werte der gesuchten Kurvenpunkte. Für die y-Werte muss man eben noch die x-Werte in die Originalfunktion f einsetzen:

f(0) = 0 2 -60 = 0, also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q(0|0)

f( 6 ) = 6 2 -66 = 0, also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 6 |0)

Wendetangente Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt bei einem Rennen auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= x 3 -1,5 x 2 +4,05 (mit 0 ≤ x ≤ 4) beschrieben werden kann. Sollte der Snowboarder an einer bestimmten Stelle stürzen, so rutscht er geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Der Zaun soll nur dort aufgestellt werden, wo der Snowboarder auch wirklich reinrutschen kann. Bestimme den x-Wert, des linken Endes des Zauns.

Lösung einblenden

Wir suchen also nach dem Wendepunkt:

f(x)= x 3 -1,5 x 2 +4,05

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -3x +0

= 3 x 2 -3x


f''(x)= 6x -3


Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

6x -3 = 0 | +3
6x = 3 |:6
x = 1 2 = 0.5

Die Lösung x= 1 2 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W( 1 2 | 3,8 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,5 x 2 +4,05 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -3x +0

= 3 x 2 -3x

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'( 1 2 )= 3 ( 1 2 ) 2 -3( 1 2 )

= 3( 1 4 ) - 3 2

= 3 4 - 3 2

= 3 4 - 6 4

= - 3 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 3 4 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f( 1 2 )= ( 1 2 ) 3 -1,5 ( 1 2 ) 2 +4,05 = 1 8 -1,5( 1 4 ) +4,05 = 1 8 - 1,5 4 +4,05 = 1 8 - 3 8 + 81 20 = 5 40 - 15 40 + 162 40 = 152 40 ≈ 3.8

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 2 | 76 20 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

76 20 = - 3 4 1 2 + c

76 20 = - 3 8 + c | + 3 8

167 40 = c

also c= 167 40 ≈ 4.18

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 3 4 ⋅x + 167 40 oder y=-0.75x +4.18

Jetzt müssen wir ja noch die Tangente mit der anderen Gerade y = 0 () schneiden, um den gesuchten x-Wert zu erhalten:

- 3 4 x +4,175 = 0 |⋅ 4
4( - 3 4 x +4,175 ) = 0
-3x +16,7 = 0 | -16,7
-3x = -16,7 |:(-3 )
x = 5,5667

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 5.567.

Wendetangente Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt bei einem Rennen auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= x 3 -3 x 2 +8,1 (mit 0 ≤ x ≤ 4) beschrieben werden kann. Sollte der Snowboarder an einer bestimmten Stelle stürzen, so rutscht er geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Der Zaun soll nur dort aufgestellt werden, wo der Snowboarder auch wirklich reinrutschen kann. Bestimme den x-Wert, des linken Endes des Zauns.

Lösung einblenden

Wir suchen also nach dem Wendepunkt:

f(x)= x 3 -3 x 2 +8,1

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -6x +0

= 3 x 2 -6x


f''(x)= 6x -6


Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

6x -6 = 0 | +6
6x = 6 |:6
x = 1

Die Lösung x= 1 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(1 | 6,1 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -3 x 2 +8,1 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -6x +0

= 3 x 2 -6x

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

mt = f'(1 )= 3 1 2 -61

= 31 -6

= 3 -6

= -3

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -3 x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also f(1 )= 1 3 -3 1 2 +8,1 = 1 -31 +8,1 = 1 -3 +8,1 = 6,1 ≈ 6.1

Wir erhalten so also den Punkt B(1 | 6,1 ) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

6,1 = -3 1 + c

6,1 = -3 + c | + 3

9,1 = c

also c= 9,1 ≈ 9.1

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅x + 9,1 oder y=-3x +9.1

Jetzt müssen wir ja noch die Tangente mit der anderen Gerade y = 0 () schneiden, um den gesuchten x-Wert zu erhalten:

-3x +9,1 = 0 | -9,1
-3x = -9,1 |:(-3 )
x = 3,0333

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 3.033.