Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 4 3 x -1

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

mt = f'(0)= 4 3 0 -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)= 2 3 0 2 - 0 = 2 3 0 +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

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= cos( -3x - 1 2 π) ,
also

f'(x)= - sin( -3x - 1 2 π) · ( -3 +0 )

= - sin( -3x - 1 2 π) · ( -3 )

= 3 sin( -3x - 1 2 π)

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

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

= 3 sin(-2π)

= 30

= 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 )= cos( -3( 1 2 π ) - 1 2 π) = cos(-2π) = 1

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

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

1 = 0 1 2 π + c

1 = 0 + c

1 = c

also c= 1

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

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -3 e 2( x -3 ) · 2

= -6 e 2( x -3 )

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

mt = f'( 3 )= -6 e 2( 3 -3 )

= -6 e 2 · 0

= -6 e 0

= -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( 3 )= -3 e 2( 3 -3 ) = -3 e 2 · 0 = -3 e 0 = -3

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

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

-3 = -6 3 + c

-3 = -18 + c | + 18

15 = c

also c= 15

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -6 ⋅x + 15

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 3 e -x +3 · ( -1 )

= -3 e -x +3

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

mt = f'(2)= -3 e -2 +3

= -3e

≈ -8.15

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -3e 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 e -2 +3 = 3e ≈ 8.15

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

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

3e = -3e 2 + c

3e = -6e + c | + 6e

9e = c

also c= 9e ≈ 24.46

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3e ⋅x + 9e oder y=-8.15x +24.46

Normale anlegen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 2 x 3 +3 ,
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'( -1 )= 6 ( -1 ) 2

= 61

= 6

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

mn= - 1 mt

also mn= - 1 6

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= - 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( -1 )= 2 ( -1 ) 3 +3 = 2( -1 ) +3 = -2 +3 = 1

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

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

1 = - 1 6 ⋅( -1 ) + c

1 = 1 6 + c | - 1 6

5 6 = c

also c= 5 6 ≈ 0.83

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 6 ⋅x + 5 6 oder y=-0.17x +0.83

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(5|-104) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= -5 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)= -10x -4

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(5|-104) 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(5|-104) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= -10u -4 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

-104 = ( -10u -4 ) · ( 5 - u ) + -5 u 2 -4u -4 | +104

( -10u -4 ) ( 5 - u ) -5 u 2 -4u -4 +104 = 0

10 u 2 -46u -20 -5 u 2 -4u -4 +104 = 0

5 u 2 -50u +80 = 0

Die Lösung der Gleichung:

5 u 2 -50u +80 = 0 |:5

u 2 -10u +16 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

u1,2 = +10 ± ( -10 ) 2 -4 · 1 · 16 21

u1,2 = +10 ± 100 -64 2

u1,2 = +10 ± 36 2

u1 = 10 + 36 2 = 10 +6 2 = 16 2 = 8

u2 = 10 - 36 2 = 10 -6 2 = 4 2 = 2

L={ 2 ; 8 }


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)= -5 x 2 -4x -4 ,
also

f'(x)= -10x -4 +0

= -10x -4

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

mt = f'( 2 )= -102 -4

= -20 -4

= -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 )= -5 2 2 -42 -4 = -54 -8 -4 = -20 -8 -4 = -32

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | -32 ) als Berührpunkt.

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

-32 = -24 2 + c

-32 = -48 + c | + 48

16 = c

also c= 16

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -24 ⋅x + 16


An der Stelle x= 8 :

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

f'(x)= -10x -4 +0

= -10x -4

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

mt = f'( 8 )= -108 -4

= -80 -4

= -84

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -84 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( 8 )= -5 8 2 -48 -4 = -564 -32 -4 = -320 -32 -4 = -356

Wir erhalten so also den Punkt B( 8 | -356 ) als Berührpunkt.

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

-356 = -84 8 + c

-356 = -672 + c | + 672

316 = c

also c= 316

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -84 ⋅x + 316

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 7 x -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 (20|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 7 ( x -3 ) 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)= - 7 ( u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 7 ( u -3 ) 2 · ( 20 - u ) + 7 u -3

-7 20 - u ( u -3 ) 2 + 7 u -3 = 0 | ⋅ ( u -3 ) 2

( -7 20 - u ( u -3 ) 2 + 7 u -3 ) · ( u -3 ) 2 = 0

-7 20 - u ( u -3 ) 2 · ( u -3 ) 2 + 7 u -3 · ( u -3 ) 2 = 0

-7( 20 - u )+7( u -3 ) = 0

-140 +7u +7u -21 = 0

14u -161 = 0

Die Lösung der Gleichung:

14u -161 = 0 | +161
14u = 161 |:14
u = 23 2 = 11.5

L={ 23 2 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 11.5 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| 3 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -8x +1 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| 3 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| 3 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| 3 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:

3 2 = -1 2u -8 · ( 4 - u ) + u 2 -8u +1 | - 3 2

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

1 2 + u 2 -8u +1 - 3 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 +1 = 1 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q(0| 1 )

f( 8 ) = 8 2 -88 +1 = 1 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 8 | 1 )

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.

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(2|0) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= 2 x 2 +2x -4 angelegt werden.
Bestimme alle möglichen Berührpunkte und bestimme (exemplarisch) eine Tangentengleichung an einem dieser Berührpunkte.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 4x +2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(2|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(2|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= 4u +2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

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

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

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

-2 u 2 +8u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

-2 u 2 +8u +0 = 0
-2 u 2 +8u = 0
2 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
-u = -4 |:(-1 )
u2 = 4

L={0; 4 }


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=0:

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

f'(x)= 4x +2 +0

= 4x +2

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

mt = f'(0)= 40 +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)= 2 0 2 +20 -4 = 20 +0 -4 = 0+0 -4 = -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 = 2 0 + c

-4 = 0 + c

-4 = c

also c= -4

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


An der Stelle x= 4 :

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

f'(x)= 4x +2 +0

= 4x +2

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

mt = f'( 4 )= 44 +2

= 16 +2

= 18

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 18 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 )= 2 4 2 +24 -4 = 216 +8 -4 = 32 +8 -4 = 36

Wir erhalten so also den Punkt B( 4 | 36 ) als Berührpunkt.

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

36 = 18 4 + c

36 = 72 + c | -72

-36 = c

also c= -36

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 18 ⋅x -36