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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 6 x 2 +0

= 6 x 2

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

mt = f'( 2 )= 6 2 2

= 64

= 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( 2 )= 2 2 3 -2 = 28 -2 = 16 -2 = 14

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | 14 ) als Berührpunkt.

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

14 = 24 2 + c

14 = 48 + c | -48

-34 = c

also c= -34

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 24 ⋅x -34

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 2 ( 3x -4 ) 2 · ( 3 +0 )

= 2 ( 3x -4 ) 2 · ( 3 )

= 6 ( 3x -4 ) 2

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

mt = f'(2)= 6 ( 32 -4 ) 2

= 6 ( 6 -4 ) 2

= 6 2 2

= 6( 1 4 )

= 3 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 3 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)= - 2 32 -4 = - 2 6 -4 = - 2 2 = -2( 1 2 ) = -1

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

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

-1 = 3 2 2 + c

-1 = 3 + c | -3

-4 = c

also c= -4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 3 2 ⋅x -4

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

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

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

f'(x)= -3 · 1 · e x -3 x · e x

= -3 e x -3 x · e x

= e x · ( -3 -3x )

= e x · ( -3x -3 )

= ( -3x -3 ) · e x

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

mt = f'(0)= e 0 · ( -30 -3 )

= 1 · ( 0 -3 )

= 1 · ( -3 )

= -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(0)= -3 · 0 · e 0 = -3 · 0 · 1 = 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 = -3 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

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

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - x · e 0,6x an der Stelle x=0:

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - x · e 0,6x ,
also

f'(x)= - 1 · e 0,6x - x · e 0,6x · 0,6

= - e 0,6x - x · 0,6 e 0,6x

= - e 0,6x -0,6 x · e 0,6x

= e 0,6x · ( -1 -0,6x )

= e 0,6x · ( -0,6x -1 )

= ( -0,6x -1 ) · e 0,6x

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

mt = f'(0)= e 0,60 · ( -0,60 -1 )

= e 0 · ( 0 -1 )

= 1 · ( -1 )

= -1

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -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)= -0 · e 0,60 = -0 · e 0 = -0 · 1 = 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 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

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

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 9 x 2 +1

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

mt = f'( 2 )= 9 2 2 +1

= 94 +1

= 36 +1

= 37

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

mn= - 1 mt

also mn= - 1 37

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= - 1 37 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 = 38 +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 = - 1 37 2 + c

26 = - 2 37 + c | + 2 37

964 37 = c

also c= 964 37 ≈ 26.05

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 37 ⋅x + 964 37 oder y=-0.03x +26.05

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-1|20) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= -4 x 2 -4x +4 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)= -8x -4

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(-1|20) 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(-1|20) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= -8u -4 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

20 = ( -8u -4 ) · ( -1 - u ) + -4 u 2 -4u +4 | -20

( -8u -4 ) ( -1 - u ) -4 u 2 -4u +4 -20 = 0

8 u 2 +12u +4 -4 u 2 -4u +4 -20 = 0

4 u 2 +8u -12 = 0

Die Lösung der Gleichung:

4 u 2 +8u -12 = 0 |:4

u 2 +2u -3 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -3 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +12 2

u1,2 = -2 ± 16 2

u1 = -2 + 16 2 = -2 +4 2 = 2 2 = 1

u2 = -2 - 16 2 = -2 -4 2 = -6 2 = -3

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = 1 2 - ( -3 ) = 1+ 3 = 4

x1,2 = -1 ± 4

x1 = -1 - 2 = -3

x2 = -1 + 2 = 1

L={ -3 ; 1 }


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= -3 :

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

f'(x)= -8x -4 +0

= -8x -4

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

mt = f'( -3 )= -8( -3 ) -4

= 24 -4

= 20

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 20 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 )= -4 ( -3 ) 2 -4( -3 ) +4 = -49 +12 +4 = -36 +12 +4 = -20

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | -20 ) als Berührpunkt.

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

-20 = 20 ⋅( -3 ) + c

-20 = -60 + c | + 60

40 = c

also c= 40

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 20 ⋅x + 40


An der Stelle x= 1 :

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

f'(x)= -8x -4 +0

= -8x -4

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

mt = f'( 1 )= -81 -4

= -8 -4

= -12

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -12 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 )= -4 1 2 -41 +4 = -41 -4 +4 = -4 -4 +4 = -4

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | -4 ) als Berührpunkt.

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

-4 = -12 1 + c

-4 = -12 + c | + 12

8 = c

also c= 8

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -12 ⋅x + 8

Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 2 Berührpunkte:

B(-3|-20) mit der zugehörigen Tangente: 20x +40

B(1|-4) mit der zugehörigen Tangente: -12x +8

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 8 2,5x -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 (15|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 20 ( 2,5x -3 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(15|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(15|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 20 ( 2,5u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 20 ( 2,5u -3 ) 2 · ( 15 - u ) + 8 2,5u -3

-20 15 - u ( 2,5u -3 ) 2 + 8 2,5u -3 = 0 | ⋅ ( 2,5u -3 ) 2

( -20 15 - u ( 2,5u -3 ) 2 + 8 2,5u -3 ) · ( 2,5u -3 ) 2 = 0

-20 15 - u ( 2,5u -3 ) 2 · ( 2,5u -3 ) 2 + 8 2,5u -3 · ( 2,5u -3 ) 2 = 0

-20( 15 - u )+8( 2,5u -3 ) = 0

-300 +20u +20u -24 = 0

40u -324 = 0

Die Lösung der Gleichung:

40u -324 = 0 | +324
40u = 324 |:40
u = 81 10 = 8.1

L={ 81 10 }


Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 1 Berührpunkte:

B(8.1|0.464)

Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 8.1 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Die Gerade durch den Punkt P(4| 9 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -8x +4 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(4| 9 2 ) verläuft.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 2x -8

Wir kennen den Kurvenpunkt von Gf, an dem die gesuchte Normale durch P(4| 9 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 -8 = - 1 2u -8

Wir können also P(4| 9 2 ) als (x|y), den gesuchten Kurvenpunkt Q(u|f(u)) und - 1 f '(u) = - 1 2u -8 in die allgemeine Normalengleichung

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

9 2 = -1 2u -8 · ( 4 - u ) + u 2 -8u +4 | - 9 2

- 4 - u 2u -8 + u 2 -8u +4 - 9 2 = 0

1 2 + u 2 -8u +4 - 9 2 = 0

u 2 -8u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

u 2 -8u +0 = 0
u 2 -8u = 0
u ( u -8 ) = 0

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

1. Fall:

u1 = 0

2. Fall:

u -8 = 0 | +8
u2 = 8

L={0; 8 }


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 -80 +4 = 4 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q(0| 4 )

f( 8 ) = 8 2 -88 +4 = 4 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 8 | 4 )

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 -2,7 x 2 +5,832 (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 -2,7 x 2 +5,832

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -5,4x +0

= 3 x 2 -5,4x


f''(x)= 6x -5,4


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 -5,4 = 0 | +5,4
6x = 5,4 |:6
x = 0,9

Die Lösung x= 0,9 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(0,9 | 4,374 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -2,7 x 2 +5,832 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -5,4x +0

= 3 x 2 -5,4x

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

mt = f'(0,9 )= 3 0,9 2 -5,40,9

= 30,81 -4,86

= 2,43 -4,86

= -2,43

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -2,43 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(0,9 )= 0,9 3 -2,7 0,9 2 +5,832 = 0,729 -2,70,81 +5,832 = 0,729 -2,187 +5,832 = 4,374 ≈ 4.37

Wir erhalten so also den Punkt B(0,9 | 4,374 ) als Berührpunkt.

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

4,374 = -2,43 0,9 + c

4,374 = -2,187 + c | + 2,187

6,561 = c

also c= 6,561 ≈ 6.56

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2,43 ⋅x + 6,561 oder y=-2.43x +6.56

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

-2,43x +6,561 = 0 | -6,561
-2,43x = -6,561 |:(-2,43 )
x = 2,7

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.7.

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 -1,8 x 2 +5,832 (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 -1,8 x 2 +5,832

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= 3 x 2 -3,6x


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


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 -3,6 = 0 | +3,6
6x = 3,6 |:6
x = 0,6

Die Lösung x= 0,6 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(0,6 | 5,4 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,8 x 2 +5,832 ,
also

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

= 3 x 2 -3,6x

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

mt = f'(0,6 )= 3 0,6 2 -3,60,6

= 30,36 -2,16

= 1,08 -2,16

= -1,08

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -1,08 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(0,6 )= 0,6 3 -1,8 0,6 2 +5,832 = 0,216 -1,80,36 +5,832 = 0,216 -0,648 +5,832 = 5,4

Wir erhalten so also den Punkt B(0,6 | 5,4 ) als Berührpunkt.

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

5,4 = -1,08 0,6 + c

5,4 = -0,648 + c | + 0,648

6,048 = c

also c= 6,048 ≈ 6.05

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1,08 ⋅x + 6,048 oder y=-1.08x +6.05

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

-1,08x +6,048 = 0 | -6,048
-1,08x = -6,048 |:(-1,08 )
x = 5,6

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 5.6.