Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

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

f'(x)= 6x -3

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

mt = f'( 2 )= 62 -3

= 12 -3

= 9

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 9 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 2 -32 = 34 -6 = 12 -6 = 6

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | 6 ) als Berührpunkt.

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

6 = 9 2 + c

6 = 18 + c | -18

-12 = c

also c= -12

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 9 ⋅x -12

Tangente anlegen (nur ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 5 x 3 -2 x 2 an der Stelle x= -2 :

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

f'(x)= 15 x 2 -4x

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

mt = f'( -2 )= 15 ( -2 ) 2 -4( -2 )

= 154 +8

= 60 +8

= 68

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 68 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 )= 5 ( -2 ) 3 -2 ( -2 ) 2 = 5( -8 ) -24 = -40 -8 = -48

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -48 ) als Berührpunkt.

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

-48 = 68 ⋅( -2 ) + c

-48 = -136 + c | + 136

88 = c

also c= 88

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 68 ⋅x + 88

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= -9 x 2 +0

= -9 x 2

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

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

= -94

= -36

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

mn= - 1 mt

also mn= 1 36

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 36 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 = -3( -8 ) +3 = 24 +3 = 27

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | 27 ) als Berührpunkt.

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

27 = 1 36 ⋅( -2 ) + c

27 = - 1 18 + c | + 1 18

487 18 = c

also c= 487 18 ≈ 27.06

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 36 ⋅x + 487 18 oder y=0.03x +27.06

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - 1 2 x 2 - 3 2 x -2 im Punkt P(-3|f(-3)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-3|f(-3)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -3 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= - 1 2 x 2 - 3 2 x -2

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

f'(-3) = -( -3 ) - 3 2 = 3 - 3 2 = 3 2 ≈ 1.5

Für den Steigungswinkel α einer Geraden mit Steigung m gilt:

tan(α) = m.

Also können wir den Steigungswinkel α berechnen mit:

α = arctan(m) = arctan(f'(-3)) = arctan( 3 2 )) ≈ 56.3°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -71.565° an den Graph der Funktion f mit f(x)= - 1 8 x 4 -111x +4 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -71.565° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-71.565°) ≈ -3 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -3 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -3 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= - 1 8 x 4 -111x +4 ab:

f'(x) = - 1 2 x 3 -111

Es muss gelten:

- 1 2 x 3 -111 = -3 | +111
- 1 2 x 3 = 108 |⋅ ( -2 )
x 3 = -216 | 3
x = - 216 3 = -6

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -6.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

Bestimme den x-Wert, an dem die Tangente an den Graphen von f mit f(x)= -3 x 2 -4 im Punkt B( 1 |f( 1 )) die x-Achse schneidet:

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

f'(x)= -6x +0

= -6x

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

mt = f'( 1 )= -61

= -6

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -6 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 )= -3 1 2 -4 = -31 -4 = -3 -4 = -7

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | -7 ) als Berührpunkt.

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

-7 = -6 1 + c

-7 = -6 + c | + 6

-1 = c

also c= -1

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -6 ⋅x -1

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -6x -1

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

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = - 1 6 ≈ -0.17.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 9 - 1 8 t 2 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m/s).
Nach 4 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate der Geschwindigkeit konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=4s hatte.
Wann kommt der Radfahrer zum Stillstand?

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Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(4|f(4)):

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 9 - 1 8 t 2 ,
also

f'(t)= 0 - 1 4 t

= - 1 4 t

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

mt = f'(4)= - 1 4 4

= -1

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -1 t+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(4)= 9 - 1 8 4 2 = 9 - 1 8 16 = 9 -2 = 7

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

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

7 = -1 ⋅4 + c

7 = -4 + c | + 4

11 = c

also c= 11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1 ⋅t + 11

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -t +11

-t +11 = 0 | -11
-t = -11 |:(-1 )
t = 11

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 11 .