Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 4 sin( x ) +2 an der Stelle x= π :

Lösung einblenden

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

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

= 4 cos( x )

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

mt = f'( π )= 4 cos( π )

= 4( -1 )

= -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 )= 4 sin( π ) +2 = 40 +2 = 0 +2 = 2

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

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

2 = -4 π + c

2 = -4π + c | + 4π

2 +4π = c

also c= 2 +4π ≈ 14.57

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -4 ⋅x + 2 +4π oder y=-4x +14.57

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -6( 2x -3 ) · ( 2 +0 )+0

= -6( 2x -3 ) · ( 2 )

= -12( 2x -3 )

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

mt = f'(0)= -240 +36

= 0 +36

= 36

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 36 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 ( 20 -3 ) 2 +5 = -3 ( 0 -3 ) 2 +5 = -3 ( -3 ) 2 +5 = -39 +5 = -27 +5 = -22

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -22 ) als Berührpunkt.

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

-22 = 36 0 + c

-22 = 0 + c

-22 = c

also c= -22

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 36 ⋅x -22

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

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

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

f'(x)= 3 2 e 2( x -3 ) · 2

= 3 e 2( x -3 )

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

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

= 3 e 2 · 0

= 3 e 0

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

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

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

3 2 = 3 3 + c

3 2 = 9 + c | -9

- 15 2 = c

also c= - 15 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 3 ⋅x - 15 2

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 2x · e x + x 2 · e x

= 2 x · e x + x 2 · e x

= e x · ( x 2 +2x )

= ( x 2 +2x ) · e x

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

mt = f'( -1 )= e -1 · ( ( -1 ) 2 +2( -1 ) )

= e -1 · ( 1 -2 )

= e -1 · ( 1 -2 )

= e -1 · ( -1 )

= - e -1

≈ -0.37

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - e -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( -1 )= ( -1 ) 2 · e -1 = e -1 ≈ 0.37

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

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

e -1 = - e -1 ⋅( -1 ) + c

e -1 = e -1 + c | - e -1

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - e -1 ⋅x +0 oder y=-0.37x

Normale anlegen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 4 cos( x ) +1

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

mt = f'( 1 2 π )= 4 cos( 1 2 π ) +1

= 40 +1

= 0 +1

= 1

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

mn= - 1 mt

also mn= -1

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale 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( 1 2 π )= 4 sin( 1 2 π ) + 1 2 π = 41 + 1 2 π = 4 + 1 2 π ≈ 5.57

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 2 π | 4 + 1 2 π ) als Berührpunkt.

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

4 + 1 2 π = -1 1 2 π + c

4 + 1 2 π = - 1 2 π + c | + 1 2 π

4 + π = c

also c= 4 + π ≈ 7.14

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= -1 ⋅x + 4 + π oder y=-1x +7.14

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-1|-3) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= x 2 -2x -2 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(-1|-3) 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(-1|-3) 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:

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

( 2u -2 ) ( -1 - u ) + u 2 -2u -2 +3 = 0

-2 u 2 +2 + u 2 -2u -2 +3 = 0

- u 2 -2u +3 = 0

Die Lösung der Gleichung:

- u 2 -2u +3 = 0

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

u1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · ( -1 ) · 3 2( -1 )

u1,2 = +2 ± 4 +12 -2

u1,2 = +2 ± 16 -2

u1 = 2 + 16 -2 = 2 +4 -2 = 6 -2 = -3

u2 = 2 - 16 -2 = 2 -4 -2 = -2 -2 = 1

L={ -3 ; 1 }


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= -3 :

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

= -6 -2

= -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( -3 )= ( -3 ) 2 -2( -3 ) -2 = 9 +6 -2 = 13

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | 13 ) als Berührpunkt.

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

13 = -8 ⋅( -3 ) + c

13 = 24 + c | -24

-11 = c

also c= -11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -8 ⋅x -11


An der Stelle x= 1 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 2 -2x -2 ,
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'( 1 )= 21 -2

= 2 -2

= 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 )= 1 2 -21 -2 = 1 -2 -2 = -3

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | -3 ) als Berührpunkt.

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

-3 = 0 1 + c

-3 = 0 + c

-3 = c

also c= -3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y=0⋅x -3

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 6 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 (30|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 6 ( x -3 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(30|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(30|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 6 ( u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 6 ( u -3 ) 2 · ( 30 - u ) + 6 u -3

-6 30 - u ( u -3 ) 2 + 6 u -3 = 0 | ⋅ ( u -3 ) 2

( -6 30 - u ( u -3 ) 2 + 6 u -3 ) · ( u -3 ) 2 = 0

-6 30 - u ( u -3 ) 2 · ( u -3 ) 2 + 6 u -3 · ( u -3 ) 2 = 0

-6( 30 - u )+6( u -3 ) = 0

-180 +6u +6u -18 = 0

12u -198 = 0

Die Lösung der Gleichung:

12u -198 = 0 | +198
12u = 198 |:12
u = 33 2 = 16.5

L={ 33 2 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 16.5 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Die Gerade durch den Punkt P(1| 7 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -2x +3 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(1| 7 2 ) verläuft.

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

Wir kennen den Kurvenpunkt von Gf, an dem die gesuchte Normale durch P(1| 7 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 -2 = - 1 2u -2

Wir können also P(1| 7 2 ) als (x|y), den gesuchten Kurvenpunkt Q(u|f(u)) und - 1 f '(u) = - 1 2u -2 in die allgemeine Normalengleichung

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

7 2 = -1 2u -2 · ( 1 - u ) + u 2 -2u +3 | - 7 2

- 1 - u 2u -2 + u 2 -2u +3 - 7 2 = 0

1 2 + u 2 -2u +3 - 7 2 = 0

u 2 -2u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

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

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

1. Fall:

u1 = 0

2. Fall:

u -2 = 0 | +2
u2 = 2

L={0; 2 }


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 -20 +3 = 3 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q(0| 3 )

f( 2 ) = 2 2 -22 +3 = 3 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 2 | 3 )

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.

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-1|-1) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= -2 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)= -4x +2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(-1|-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(-1|-1) 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:

-1 = ( -4u +2 ) · ( -1 - u ) + -2 u 2 +2u -5 | +1

( -4u +2 ) ( -1 - u ) -2 u 2 +2u -5 +1 = 0

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

2 u 2 +4u -6 = 0

Die Lösung der Gleichung:

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

u 2 +2u -3 = 0

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -3 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +12 2

u1,2 = -2 ± 16 2

u1 = -2 + 16 2 = -2 +4 2 = 2 2 = 1

u2 = -2 - 16 2 = -2 -4 2 = -6 2 = -3

L={ -3 ; 1 }


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= -3 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -2 x 2 +2x -5 ,
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'( -3 )= -4( -3 ) +2

= 12 +2

= 14

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 14 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 )= -2 ( -3 ) 2 +2( -3 ) -5 = -29 -6 -5 = -18 -6 -5 = -29

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | -29 ) als Berührpunkt.

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

-29 = 14 ⋅( -3 ) + c

-29 = -42 + c | + 42

13 = c

also c= 13

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 14 ⋅x + 13


An der Stelle x= 1 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -2 x 2 +2x -5 ,
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'( 1 )= -41 +2

= -4 +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( 1 )= -2 1 2 +21 -5 = -21 +2 -5 = -2 +2 -5 = -5

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | -5 ) als Berührpunkt.

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

-5 = -2 1 + c

-5 = -2 + c | + 2

-3 = c

also c= -3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2 ⋅x -3