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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

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

f'(x)= 4x +5

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

mt = f'(0)= 40 +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)= 2 0 2 +50 = 20 +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 = 5 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 5 ⋅x +0

Tangente anlegen (nur ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 1 6 x 3 -3x an der Stelle x= 2 :

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 1 6 x 3 -3x ,
also

f'(x)= 1 2 x 2 -3

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

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

= 1 2 4 -3

= 2 -3

= -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( 2 )= 1 6 2 3 -32 = 1 6 8 -6 = 4 3 -6 = 4 3 - 18 3 = - 14 3 ≈ -4.67

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | - 14 3 ) als Berührpunkt.

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

- 14 3 = -1 2 + c

- 14 3 = -2 + c | + 2

- 8 3 = c

also c= - 8 3 ≈ -2.67

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1 ⋅x - 8 3 oder y=-1x -2.67

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 4x +0

= 4x

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

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

= -4

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

mn= - 1 mt

also mn= 1 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 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( -1 )= 2 ( -1 ) 2 -4 = 21 -4 = 2 -4 = -2

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

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

-2 = 1 4 ⋅( -1 ) + c

-2 = - 1 4 + c | + 1 4

- 7 4 = c

also c= - 7 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 4 ⋅x - 7 4

Steigungswinkel

Beispiel:

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

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

f'(-3) = 3 ( -3 ) 2 -2 = 39 -2 = 27 -2 = 25

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( 25 )) ≈ 87.7°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -63.435° an den Graph der Funktion f mit f(x)= - 1 12 x 4 -74x -5 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -63.435° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-63.435°) ≈ -2 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -2 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -2 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= - 1 12 x 4 -74x -5 ab:

f'(x) = - 1 3 x 3 -74

Es muss gelten:

- 1 3 x 3 -74 = -2 | +74
- 1 3 x 3 = 72 |⋅ ( -3 )
x 3 = -216 | 3
x = - 216 3 = -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)= 4 x 2 +2 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 +2 ,
also

f'(x)= 8x +0

= 8x

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

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

= -8

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -8 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 +2 = 41 +2 = 4 +2 = 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 = -8 ⋅( -1 ) + c

6 = 8 + c | -8

-2 = c

also c= -2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -8 ⋅x -2

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -8x -2

-8x -2 = 0 | +2
-8x = 2 |:(-8 )
x = - 1 4 = -0.25

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = - 1 4 ≈ -0.25.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Das Wasservolumen in einem Wassertank lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 5 - 1 20 t 3 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m³).
Nach 3 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate des Wasservolumens konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=3s hatte.
Wann ist der Tank leer?

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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)= 5 - 1 20 t 3 ,
also

f'(t)= 0 - 3 20 t 2

= - 3 20 t 2

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

mt = f'(3)= - 3 20 3 2

= - 3 20 9

= - 27 20

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 27 20 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)= 5 - 1 20 3 3 = 5 - 1 20 27 = 5 - 27 20 = 100 20 - 27 20 = 73 20

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 73 20 ) als Berührpunkt.

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

73 20 = - 27 20 ⋅3 + c

73 20 = - 81 20 + c | + 81 20

77 10 = c

also c= 77 10

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 27 20 ⋅t + 77 10

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = - 27 20 t + 77 10

- 27 20 t + 77 10 = 0 |⋅ 20
20( - 27 20 t + 77 10 ) = 0
-27t +154 = 0 | -154
-27t = -154 |:(-27 )
t = 154 27

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 154 27 ≈ 5.7.