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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

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

f'(x)= -4x +1

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

mt = f'( -2 )= -4( -2 ) +1

= 8 +1

= 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 )= -2 ( -2 ) 2 -2 = -24 -2 = -8 -2 = -10

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -10 ) als Berührpunkt.

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

-10 = 9 ⋅( -2 ) + c

-10 = -18 + c | + 18

8 = c

also c= 8

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 9 ⋅x + 8

Tangente anlegen (nur ganzrational)

Beispiel:

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

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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'(0)= -20 +1

= 0 +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 2 +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 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)= - x 3 +5 x 2 an der Stelle x= -1 :

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

f'(x)= -3 x 2 +10x

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

mt = f'( -1 )= -3 ( -1 ) 2 +10( -1 )

= -31 -10

= -3 -10

= -13

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

mn= - 1 mt

also mn= 1 13

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 13 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 +5 ( -1 ) 2 = -( -1 ) +51 = 1 +5 = 6

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

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

6 = 1 13 ⋅( -1 ) + c

6 = - 1 13 + c | + 1 13

79 13 = c

also c= 79 13 ≈ 6.08

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 13 ⋅x + 79 13 oder y=0.08x +6.08

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 2 -3x +7 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)= 3 2 x 2 -3x +7

=>f'(x)= 3x -3 +0

f'(3) = 33 -3 = 9 -3 = 6

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( 6 )) ≈ 80.5°.

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)= 1 2 x 2 -8x +2 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)= 1 2 x 2 -8x +2 ab:

f'(x) = x -8

Es muss gelten:

x -8 = -1 | +8
x = 7

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 7.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

Bestimme den x-Wert, an dem die Tangente an den Graphen von f mit f(x)= -4 x 2 +5x im Punkt B( -1 |f( -1 )) die x-Achse schneidet:

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

f'(x)= -8x +5

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

mt = f'( -1 )= -8( -1 ) +5

= 8 +5

= 13

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 13 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 +5( -1 ) = -41 -5 = -4 -5 = -9

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

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

-9 = 13 ⋅( -1 ) + c

-9 = -13 + c | + 13

4 = c

also c= 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 13 ⋅x + 4

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 13x +4

13x +4 = 0 | -4
13x = -4 |:13
x = - 4 13

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = - 4 13 ≈ -0.31.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 7 - 1 4 t 2 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m/s).
Nach 2 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate der Geschwindigkeit konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=2s hatte.
Wann kommt der Radfahrer zum Stillstand?

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Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(2|f(2)):

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 7 - 1 4 t 2 ,
also

f'(t)= 0 - 1 2 t

= - 1 2 t

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

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

= -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(2)= 7 - 1 4 2 2 = 7 - 1 4 4 = 7 -1 = 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 = -1 ⋅2 + c

6 = -2 + c | + 2

8 = c

also c= 8

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1 ⋅t + 8

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -t +8

-t +8 = 0 | -8
-t = -8 |:(-1 )
t = 8

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 8 .