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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 4 cos( x ) +4x an der Stelle x= 0 :

Lösung einblenden

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

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

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

mt = f'( 0 )= -4 sin( 0 ) +4

= -40 +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( 0 )= 4 cos( 0 ) +4( 0 ) = 41 +0 = 4 +0 = 4

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

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

4 = 4 0 + c

4 = 0 + c

4 = c

also c= 4

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

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 2 cos( -3x + π) · ( -3 +0 )

= 2 cos( -3x + π) · ( -3 )

= -6 cos( -3x + π)

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

mt = f'( 1 2 π )= -6 cos( -3( 1 2 π ) + π)

= -6 cos( - 1 2 π)

= -60

= 0

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

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

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

-2 = 0 1 2 π + c

-2 = 0 + c

-2 = c

also c= -2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y=0⋅x -2

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - 3 5 e -2x an der Stelle x=0:

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

f'(x)= - 3 5 e -2x · ( -2 )

= 6 5 e -2x

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

mt = f'(0)= 6 5 e -20

= 6 5 e 0

= 6 5

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 6 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 5 e -20 = - 3 5 e 0 = - 3 5

Wir erhalten so also den Punkt B(0| - 3 5 ) als Berührpunkt.

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

- 3 5 = 6 5 0 + c

- 3 5 = 0 + c

- 3 5 = c

also c= - 3 5

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 6 5 ⋅x - 3 5

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - x · e 0,8x an der Stelle x= 2 :

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - x · e 0,8x ,
also

f'(x)= - 1 · e 0,8x - x · e 0,8x · 0,8

= - e 0,8x - x · 0,8 e 0,8x

= - e 0,8x -0,8 x · e 0,8x

= e 0,8x · ( -1 -0,8x )

= e 0,8x · ( -0,8x -1 )

= ( -0,8x -1 ) · e 0,8x

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

mt = f'( 2 )= e 0,82 · ( -0,82 -1 )

= e 1,6 · ( -1,6 -1 )

= e 1,6 · ( -2,6 )

= -2,6 e 1,6

≈ -12.88

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -2,6 e 1,6 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( 2 )= - 2 · e 0,82 = - 2 · e 1,6 = -2 e 1,6 ≈ -9.91

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | -2 e 1,6 ) als Berührpunkt.

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

-2 e 1,6 = -2,6 e 1,6 2 + c

-2 e 1,6 = -5,2 e 1,6 + c | + 5,2 e 1,6

3,2 e 1,6 = c

also c= 3,2 e 1,6 ≈ 15.85

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2,6 e 1,6 ⋅x + 3,2 e 1,6 oder y=-12.88x +15.85

Normale anlegen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

mt = f'( 2π )= - sin( 2π ) +3

= -0 +3

= 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( 2π )= cos( 2π ) +3( 2π ) = 1 +3( 2π ) ≈ 19.85

Wir erhalten so also den Punkt B( 2π | 1 +6π ) als Berührpunkt.

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

1 +6π = - 1 3 2π + c

1 +6π = - 2 3 π + c | + 2 3 π

1 + 20 3 π = c

also c= 1 + 20 3 π ≈ 21.94

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 3 ⋅x + 1 + 20 3 π oder y=-0.33x +21.94

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(0|11) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= -4 x 2 +4x -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)= -8x +4

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(0|11) 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(0|11) 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:

11 = ( -8u +4 ) · ( 0 - u ) + -4 u 2 +4u -5 | -11

- ( -8u +4 ) u -4 u 2 +4u -5 -11 = 0

8 u 2 -4u -4 u 2 +4u -5 -11 = 0

4 u 2 +0 -16 = 0

Die Lösung der Gleichung:

4 u 2 +0 -16 = 0
4 u 2 -16 = 0 | +16
4 u 2 = 16 |:4
u 2 = 4 | 2
u1 = - 4 = -2
u2 = 4 = 2

L={ -2 ; 2 }


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= -2 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -4 x 2 +4x -5 ,
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'( -2 )= -8( -2 ) +4

= 16 +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( -2 )= -4 ( -2 ) 2 +4( -2 ) -5 = -44 -8 -5 = -16 -8 -5 = -29

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -29 ) als Berührpunkt.

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

-29 = 20 ⋅( -2 ) + c

-29 = -40 + c | + 40

11 = c

also c= 11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 20 ⋅x + 11


An der Stelle x= 2 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -4 x 2 +4x -5 ,
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'( 2 )= -82 +4

= -16 +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( 2 )= -4 2 2 +42 -5 = -44 +8 -5 = -16 +8 -5 = -13

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | -13 ) als Berührpunkt.

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

-13 = -12 2 + c

-13 = -24 + c | + 24

11 = c

also c= 11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -12 ⋅x + 11

Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 2 Berührpunkte:

B(-2|-29) mit der zugehörigen Tangente: 20x +11

B(2|-13) mit der zugehörigen Tangente: -12x +11

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 7 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 (25|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)= - 17,5 ( 2,5x -3 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(25|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(25|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 17,5 ( 2,5u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 17,5 ( 2,5u -3 ) 2 · ( 25 - u ) + 7 2,5u -3

-17,5 25 - u ( 2,5u -3 ) 2 + 7 2,5u -3 = 0 | ⋅ ( 2,5u -3 ) 2

( -17,5 25 - u ( 2,5u -3 ) 2 + 7 2,5u -3 ) · ( 2,5u -3 ) 2 = 0

-17,5 25 - u ( 2,5u -3 ) 2 · ( 2,5u -3 ) 2 + 7 2,5u -3 · ( 2,5u -3 ) 2 = 0

-17,5( 25 - u )+7( 2,5u -3 ) = 0

-437,5 +17,5u +17,5u -21 = 0

35u -458,5 = 0

Die Lösung der Gleichung:

35u -458,5 = 0 | +458,5
35u = 458,5 |:35
u = 13,1

L={ 13,1 }


Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 1 Berührpunkte:

B(13.1|0.235)

Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 13.1 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Bestimme den Punkt Q auf dem Graphen von f mit f(x) = 1 4 x 2 +2 , der den kürzesten Abstand zu P( 8 | 4 ) hat.

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Der Punkt P liegt "außerhalb" der Parabel der Funktion f. Deswegen muss der Punkt P auf der Normalen an den Graph von f im gesuchten Kurvenpunkt Q liegen.

Gesucht ist der Kurvenpunkt auf dem Graph von f, dessen Normale durch den Punkt P(8|4) verläuft.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 1 2 u

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

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

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

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

-2 8 - u u + 1 4 u 2 +2 -4 = 0 | ⋅ 1 2 u

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

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

-( 8 - u ) + 1 8 u 2 · u + u -2u = 0

-8 + u + 1 8 u 3 + u -2u = 0

1 8 u 3 +0 -8 = 0

Die Lösung der Gleichung:

1 8 u 3 +0 -8 = 0
1 8 u 3 -8 = 0 | +8
1 8 u 3 = 8 |⋅8
u 3 = 64 | 3
u = 64 3 = 4

L={ 4 }


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( 4 ) = 1 4 4 2 +2 = 6 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 4 | 6 )

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 +2,592 (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 +2,592

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 | 2,16 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,8 x 2 +2,592 ,
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 +2,592 = 0,216 -1,80,36 +2,592 = 0,216 -0,648 +2,592 = 2,16 ≈ 2.16

Wir erhalten so also den Punkt B(0,6 | 2,16 ) als Berührpunkt.

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

2,16 = -1,08 0,6 + c

2,16 = -0,648 + c | + 0,648

2,808 = c

also c= 2,808 ≈ 2.81

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1,08 ⋅x + 2,808 oder y=-1.08x +2.81

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

-1,08x +2,808 = 0 | -2,808
-1,08x = -2,808 |:(-1,08 )
x = 2,6

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.6.

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 +10,935 (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 +10,935

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 | 9,477 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -2,7 x 2 +10,935 ,
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 +10,935 = 0,729 -2,70,81 +10,935 = 0,729 -2,187 +10,935 = 9,477 ≈ 9.48

Wir erhalten so also den Punkt B(0,9 | 9,477 ) als Berührpunkt.

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

9,477 = -2,43 0,9 + c

9,477 = -2,187 + c | + 2,187

11,664 = c

also c= 11,664 ≈ 11.66

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2,43 ⋅x + 11,664 oder y=-2.43x +11.66

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

-2,43x +11,664 = 0 | -11,664
-2,43x = -11,664 |:(-2,43 )
x = 4,8

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 4.8.