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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -3 sin( x ) +4

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

mt = f'( -π )= -3 sin( ( -π ) ) +4

= -30 +4

= 0 +4

= 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 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( -π )= 3 cos( ( -π ) ) +4( -π ) = 3( -1 ) +4( -π ) = -3 +4( -π ) ≈ -15.57

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

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

-3 -4π = 4 ⋅( -π ) + c

-3 -4π = -4π + c | + 4π

-3 = c

also c= -3

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

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 9 ( -x +1 ) 2 · ( -1 +0 )

= 9 ( -x +1 ) 2 · ( -1 )

= -9 ( -x +1 ) 2

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

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

= -9 ( -1 ) 2

= -91

= -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 +1 ) 3 = 3 ( -1 ) 3 = 3( -1 ) = -3

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

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

-3 = -9 2 + c

-3 = -18 + c | + 18

15 = c

also c= 15

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -9 ⋅x + 15

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - 7 2 e -2x an der Stelle x=0:

Lösung einblenden

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

f'(x)= - 7 2 e -2x · ( -2 )

= 7 e -2x

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

mt = f'(0)= 7 e -20

= 7 e 0

= 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(0)= - 7 2 e -20 = - 7 2 e 0 = - 7 2

Wir erhalten so also den Punkt B(0| - 7 2 ) als Berührpunkt.

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

- 7 2 = 7 0 + c

- 7 2 = 0 + c

- 7 2 = c

also c= - 7 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 7 ⋅x - 7 2

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= ( 3x -9 ) · e 0,6x an der Stelle x= -2 :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= ( 3x -9 ) · e 0,6x ,
also

f'(x)= ( 3 +0 ) · e 0,6x + ( 3x -9 ) · e 0,6x · 0,6

= 3 e 0,6x + ( 3x -9 ) · 0,6 e 0,6x

= 3 e 0,6x +0,6 ( 3x -9 ) · e 0,6x

= e 0,6x · ( 3 +1,8x -5,4 )

= e 0,6x · ( 1,8x -2,4 )

= ( 1,8x -2,4 ) · e 0,6x

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

mt = f'( -2 )= e 0,6( -2 ) · ( 1,8( -2 ) -2,4 )

= e -1,2 · ( -3,6 -2,4 )

= e -1,2 · ( -6 )

= -6 e -1,2

≈ -1.81

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -6 e -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( -2 )= ( 3( -2 ) -9 ) · e 0,6( -2 ) = ( -6 -9 ) · e -1,2 = -15 e -1,2 ≈ -4.52

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -15 e -1,2 ) als Berührpunkt.

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

-15 e -1,2 = -6 e -1,2 ⋅( -2 ) + c

-15 e -1,2 = 12 e -1,2 + c | -12 e -1,2

-27 e -1,2 = c

also c= -27 e -1,2 ≈ -8.13

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -6 e -1,2 ⋅x -27 e -1,2 oder y=-1.81x -8.13

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 8x +1

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

mt = f'( -2 )= 8( -2 ) +1

= -16 +1

= -15

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

mn= - 1 mt

also mn= 1 15

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 15 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 )= 4 ( -2 ) 2 -2 = 44 -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 = 1 15 ⋅( -2 ) + c

14 = - 2 15 + c | + 2 15

212 15 = c

also c= 212 15 ≈ 14.13

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 15 ⋅x + 212 15 oder y=0.07x +14.13

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-2|-1) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= - x 2 -2x -5 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)= -2x -2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(-2|-1) 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(-2|-1) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= -2u -2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

-1 = ( -2u -2 ) · ( -2 - u ) + - u 2 -2u -5 | +1

( -2u -2 ) ( -2 - u ) - u 2 -2u -5 +1 = 0

2 u 2 +6u +4 - u 2 -2u -5 +1 = 0

u 2 +4u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

u 2 +4u +0 = 0
u 2 +4u = 0
u ( u +4 ) = 0

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

1. Fall:

u1 = 0

2. Fall:

u +4 = 0 | -4
u2 = -4

L={ -4 ; 0}


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= -4 :

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

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

= -2x -2

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

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

= 8 -2

= 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( -4 )= - ( -4 ) 2 -2( -4 ) -5 = -16 +8 -5 = -13

Wir erhalten so also den Punkt B( -4 | -13 ) als Berührpunkt.

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

-13 = 6 ⋅( -4 ) + c

-13 = -24 + c | + 24

11 = c

also c= 11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 6 ⋅x + 11


An der Stelle x=0:

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

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

= -2x -2

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

mt = f'(0)= -20 -2

= 0 -2

= -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(0)= - 0 2 -20 -5 = -0 +0 -5 = -5

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -5 ) als Berührpunkt.

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

-5 = -2 0 + c

-5 = 0 + c

-5 = c

also c= -5

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2 ⋅x -5

Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 2 Berührpunkte:

B(-4|-13) mit der zugehörigen Tangente: 6x +11

B(0|-5) mit der zugehörigen Tangente: -2x -5

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 9 2,5x -2 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 (20|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)= - 22,5 ( 2,5x -2 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(20|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(20|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 22,5 ( 2,5u -2 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 22,5 ( 2,5u -2 ) 2 · ( 20 - u ) + 9 2,5u -2

-22,5 20 - u ( 2,5u -2 ) 2 + 9 2,5u -2 = 0 | ⋅ ( 2,5u -2 ) 2

( -22,5 20 - u ( 2,5u -2 ) 2 + 9 2,5u -2 ) · ( 2,5u -2 ) 2 = 0

-22,5 20 - u ( 2,5u -2 ) 2 · ( 2,5u -2 ) 2 + 9 2,5u -2 · ( 2,5u -2 ) 2 = 0

-22,5( 20 - u )+9( 2,5u -2 ) = 0

-450 +22,5u +22,5u -18 = 0

45u -468 = 0

Die Lösung der Gleichung:

45u -468 = 0 | +468
45u = 468 |:45
u = 52 5 = 10.4

L={ 52 5 }


Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 1 Berührpunkte:

B(10.4|0.375)

Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 10.4 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 -3 x 2 +12,6 (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.

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Wir suchen also nach dem Wendepunkt:

f(x)= x 3 -3 x 2 +12,6

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 | 10,6 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -3 x 2 +12,6 ,
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 +12,6 = 1 -31 +12,6 = 1 -3 +12,6 = 10,6 ≈ 10.6

Wir erhalten so also den Punkt B(1 | 10,6 ) als Berührpunkt.

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

10,6 = -3 1 + c

10,6 = -3 + c | + 3

13,6 = c

also c= 13,6 ≈ 13.6

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅x + 13,6 oder y=-3x +13.6

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

-3x +13,6 = 0 | -13,6
-3x = -13,6 |:(-3 )
x = 4,5333

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 4.533.

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 +4,536 (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 +4,536

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 | 4,104 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,8 x 2 +4,536 ,
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 +4,536 = 0,216 -1,80,36 +4,536 = 0,216 -0,648 +4,536 = 4,104 ≈ 4.1

Wir erhalten so also den Punkt B(0,6 | 4,104 ) als Berührpunkt.

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

4,104 = -1,08 0,6 + c

4,104 = -0,648 + c | + 0,648

4,752 = c

also c= 4,752 ≈ 4.75

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1,08 ⋅x + 4,752 oder y=-1.08x +4.75

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

-1,08x +4,752 = 0 | -4,752
-1,08x = -4,752 |:(-1,08 )
x = 4,4

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 4.4.