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 3 -2 an der Stelle x= -2 :

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

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 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 -2 = 3( -8 ) -2 = -24 -2 = -26

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -26 ) als Berührpunkt.

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

-26 = 36 ⋅( -2 ) + c

-26 = -72 + c | + 72

46 = c

also c= 46

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 36 ⋅x + 46

Tangente anlegen (nur ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 2 x 2 - 1 3 x an der Stelle x=0:

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

f'(x)= 4x - 1 3

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

mt = f'(0)= 40 - 1 3

= 0 - 1 3

= 0 - 1 3

= - 1 3

≈ -0.33

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 1 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(0)= 2 0 2 - 1 3 0 = 20 +0 = 0+0 = 0

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

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

0 = - 1 3 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 1 3 ⋅x +0 oder y=-0.33x

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 2 +3 an der Stelle x= -1 :

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

f'(x)= 3x +0

= 3x

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

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

= -3

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

mn= - 1 mt

also mn= 1 3

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 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 )= 3 2 ( -1 ) 2 +3 = 3 2 1 +3 = 3 2 +3 = 3 2 + 6 2 = 9 2

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | 9 2 ) als Berührpunkt.

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

9 2 = 1 3 ⋅( -1 ) + c

9 2 = - 1 3 + c | + 1 3

29 6 = c

also c= 29 6 ≈ 4.83

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 3 ⋅x + 29 6 oder y=0.33x +4.83

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 4 -3x im Punkt P(2|f(2)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(2|f(2)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 2 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= 3 2 x 4 -3x

=>f'(x)= 6 x 3 -3

f'(2) = 6 2 3 -3 = 68 -3 = 48 -3 = 45

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'(2)) = arctan( 45 )) ≈ 88.7°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -63.435° an den Graph der Funktion f mit f(x)= - 1 8 x 4 -34x +2 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -63.435° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-63.435°) ≈ -2 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -2 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -2 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= - 1 8 x 4 -34x +2 ab:

f'(x) = - 1 2 x 3 -34

Es muss gelten:

- 1 2 x 3 -34 = -2 | +34
- 1 2 x 3 = 32 |⋅ ( -2 )
x 3 = -64 | 3
x = - 64 3 = -4

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -4.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

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

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

f'(x)= 2x -4

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

mt = f'( 3 )= 23 -4

= 6 -4

= 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 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 )= 3 2 -43 = 9 -12 = -3

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

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

-3 = 2 3 + c

-3 = 6 + c | -6

-9 = c

also c= -9

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 2 ⋅x -9

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 2x -9

2x -9 = 0 | +9
2x = 9 |:2
x = 9 2 = 4.5

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = 9 2 ≈ 4.5.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 7 - 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)= 7 - 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)= 7 - 1 8 4 2 = 7 - 1 8 16 = 7 -2 = 5

Wir erhalten so also den Punkt B(4| 5 ) als Berührpunkt.

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

5 = -1 ⋅4 + c

5 = -4 + c | + 4

9 = c

also c= 9

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1 ⋅t + 9

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -t +9

-t +9 = 0 | -9
-t = -9 |:(-1 )
t = 9

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 9 .