Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 2x +1

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

mt = f'( 2 )= 22 +1

= 4 +1

= 5

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 5 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 )= 2 2 +2 = 4 +2 = 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 = 5 2 + c

6 = 10 + c | -10

-4 = c

also c= -4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 5 ⋅x -4

Tangente anlegen (nur ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 5 x 2 -4 an der Stelle x= 1 :

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

f'(x)= 10x +0

= 10x

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

mt = f'( 1 )= 101

= 10

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 10 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 -4 = 51 -4 = 5 -4 = 1

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

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

1 = 10 1 + c

1 = 10 + c | -10

-9 = c

also c= -9

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 10 ⋅x -9

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 3 4 x 2 -5 an der Stelle x= -2 :

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

f'(x)= 3 2 x +0

= 3 2 x

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

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

= -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( -2 )= 3 4 ( -2 ) 2 -5 = 3 4 4 -5 = 3 -5 = -2

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

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

-2 = 1 3 ⋅( -2 ) + c

-2 = - 2 3 + c | + 2 3

- 4 3 = c

also c= - 4 3 ≈ -1.33

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 3 ⋅x - 4 3 oder y=0.33x -1.33

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= x 2 + 3 2 x 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)= x 2 + 3 2 x

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

f'(-3) = 2( -3 ) + 3 2 = -6 + 3 2 = - 9 2 ≈ -4.5

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( - 9 2 )) ≈ -77.5°.

Da der Steigungswinkel immer zwischen 0° und 180° liegt, müssen wir hier noch 180° addieren:

α = -77.5° + 180° = 102.5°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ 45° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 3 2 x 2 +19x -9 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = 45° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(45°) ≈ 1 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = 1 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = 1 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= 3 2 x 2 +19x -9 ab:

f'(x) = 3x +19

Es muss gelten:

3x +19 = 1 | -19
3x = -18 |:3
x = -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 +5x -15 im Punkt B(0|f(0)) die x-Achse schneidet:

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -3 x 2 +5x -15 ,
also

f'(x)= -6x +5 +0

= -6x +5

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

mt = f'(0)= -60 +5

= 0 +5

= 5

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 5 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)= -3 0 2 +50 -15 = -30 +0 -15 = 0+0 -15 = -15

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -15 ) als Berührpunkt.

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

-15 = 5 0 + c

-15 = 0 + c

-15 = c

also c= -15

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 5 ⋅x -15

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 5x -15

5x -15 = 0 | +15
5x = 15 |:5
x = 3

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = 3 .

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 8 - 1 36 t 4 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m/s).
Nach 3 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate der Geschwindigkeit konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=3s hatte.
Wann kommt der Radfahrer zum Stillstand?

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Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(3|f(3)):

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 8 - 1 36 t 4 ,
also

f'(t)= 0 - 1 9 t 3

= - 1 9 t 3

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

mt = f'(3)= - 1 9 3 3

= - 1 9 27

= -3

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -3 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(3)= 8 - 1 36 3 4 = 8 - 1 36 81 = 8 - 9 4 = 32 4 - 9 4 = 23 4

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 23 4 ) als Berührpunkt.

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

23 4 = -3 ⋅3 + c

23 4 = -9 + c | + 9

59 4 = c

also c= 59 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅t + 59 4

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -3t + 59 4

-3t + 59 4 = 0 |⋅ 4
4( -3t + 59 4 ) = 0
-12t +59 = 0 | -59
-12t = -59 |:(-12 )
t = 59 12

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 59 12 ≈ 4.92.