Aufgabenbeispiele von Tangenten

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 4 x 2 +3x an der Stelle x= 1 :

Lösung einblenden

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

f'(x)= 8x +3

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

mt = f'( 1 )= 81 +3

= 8 +3

= 11

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 11 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 +31 = 41 +3 = 4 +3 = 7

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | 7 ) als Berührpunkt.

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

7 = 11 1 + c

7 = 11 + c | -11

-4 = c

also c= -4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 11 ⋅x -4

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= -3 ( -3x +6 ) 2 an der Stelle x=0:

Lösung einblenden

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

f'(x)= -6( -3x +6 ) · ( -3 +0 )

= -6( -3x +6 ) · ( -3 )

= 18( -3x +6 )

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

mt = f'(0)= 18( -30 +6 )

= 18(0 +6 )

= 108

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 108 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 ( -30 +6 ) 2 = -3 ( 0 +6 ) 2 = -3 6 2 = -336 = -108

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -108 ) als Berührpunkt.

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

-108 = 108 0 + c

-108 = 0 + c

-108 = c

also c= -108

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 108 ⋅x -108

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -2 · 1 · e x +3 -2 x · e x +3 · 1

= -2 e x +3 -2 x · e x +3

= e x +3 · ( -2 -2x )

= e x +3 · ( -2x -2 )

= ( -2x -2 ) · e x +3

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

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

= e 0 · ( 6 -2 )

= 1 · 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( -3 )= -2 · ( -3 ) · e -3 +3 = -2 · ( -3 ) · e 0 = -2 · ( -3 ) · 1 = 6

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | 6 ) als Berührpunkt.

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

6 = 4 ⋅( -3 ) + c

6 = -12 + c | + 12

18 = c

also c= 18

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 4 ⋅x + 18

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= ( x 2 +4 ) · e 0,6x an der Stelle x= -1 :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= ( x 2 +4 ) · e 0,6x ,
also

f'(x)= ( 2x +0 ) · e 0,6x + ( x 2 +4 ) · e 0,6x · 0,6

= 2x · e 0,6x + ( x 2 +4 ) · 0,6 e 0,6x

= 2 x · e 0,6x +0,6 ( x 2 +4 ) · e 0,6x

= e 0,6x · ( 0,6 x 2 +2,4 +2x )

= e 0,6x · ( 0,6 x 2 +2x +2,4 )

= ( 0,6 x 2 +2x +2,4 ) · e 0,6x

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

mt = f'( -1 )= e 0,6( -1 ) · ( 0,6 ( -1 ) 2 +2( -1 ) +2,4 )

= e -0,6 · ( 0,61 -2 +2,4 )

= e -0,6 · ( 0,6 -2 +2,4 )

= e -0,6 · 1

= e -0,6

≈ 0.55

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= e -0,6 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 )= ( ( -1 ) 2 +4 ) · e 0,6( -1 ) = ( 1 +4 ) · e -0,6 = 5 · e -0,6 = 5 e -0,6 ≈ 2.74

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | 5 e -0,6 ) als Berührpunkt.

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

5 e -0,6 = e -0,6 ⋅( -1 ) + c

5 e -0,6 = - e -0,6 + c | + e -0,6

6 e -0,6 = c

also c= 6 e -0,6 ≈ 3.29

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= e -0,6 ⋅x + 6 e -0,6 oder y=0.55x +3.29

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 3 sin( x ) +4x an der Stelle x= - 1 2 π :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 3 sin( x ) +4x ,
also

f'(x)= 3 cos( x ) +4

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

mt = f'( - 1 2 π )= 3 cos( ( - 1 2 π ) ) +4

= 30 +4

= 0 +4

= 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 π )= 3 sin( ( - 1 2 π ) ) +4( - 1 2 π ) = 3( -1 ) +4( - 1 2 π ) = -3 +4( - 1 2 π ) ≈ -9.28

Wir erhalten so also den Punkt B( - 1 2 π | -3 -2π ) als Berührpunkt.

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

-3 -2π = - 1 4 ⋅( - 1 2 π ) + c

-3 -2π = 1 8 π + c | - 1 8 π

-3 - 17 8 π = c

also c= -3 - 17 8 π ≈ -9.68

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 4 ⋅x + -3 - 17 8 π oder y=-0.25x -9.68

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-1|21) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= -4 x 2 -5x +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)= -8x -5

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(-1|21) 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|21) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= -8u -5 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

21 = ( -8u -5 ) · ( -1 - u ) + -4 u 2 -5u +4 | -21

( -8u -5 ) ( -1 - u ) -4 u 2 -5u +4 -21 = 0

8 u 2 +13u +5 -4 u 2 -5u +4 -21 = 0

4 u 2 +8u -12 = 0

Die Lösung der Gleichung:

4 u 2 +8u -12 = 0 |:4

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

f'(x)= -8x -5 +0

= -8x -5

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

mt = f'( -3 )= -8( -3 ) -5

= 24 -5

= 19

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 19 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 )= -4 ( -3 ) 2 -5( -3 ) +4 = -49 +15 +4 = -36 +15 +4 = -17

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | -17 ) als Berührpunkt.

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

-17 = 19 ⋅( -3 ) + c

-17 = -57 + c | + 57

40 = c

also c= 40

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 19 ⋅x + 40


An der Stelle x= 1 :

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

f'(x)= -8x -5 +0

= -8x -5

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

mt = f'( 1 )= -81 -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 -51 +4 = -41 -5 +4 = -4 -5 +4 = -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 = -13 1 + c

-5 = -13 + c | + 13

8 = c

also c= 8

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -13 ⋅x + 8

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 4 0,4x -2 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)= - 1,6 ( 0,4x -2 ) 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)= - 1,6 ( 0,4u -2 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 1,6 ( 0,4u -2 ) 2 · ( 20 - u ) + 4 0,4u -2

-1,6 20 - u ( 0,4u -2 ) 2 + 4 0,4u -2 = 0 | ⋅ ( 0,4u -2 ) 2

( -1,6 20 - u ( 0,4u -2 ) 2 + 4 0,4u -2 ) · ( 0,4u -2 ) 2 = 0

-1,6 20 - u ( 0,4u -2 ) 2 · ( 0,4u -2 ) 2 + 4 0,4u -2 · ( 0,4u -2 ) 2 = 0

-1,6( 20 - u )+4( 0,4u -2 ) = 0

-32 +1,6u +1,6u -8 = 0

3,2u -40 = 0

Die Lösung der Gleichung:

3,2u -40 = 0 | +40
3,2u = 40 |:3,2
u = 12,5

L={ 12,5 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 12.5 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.

Lösung einblenden

Gesucht ist der Kurvenpunkt auf dem Graph von f, dessen Normale durch den Punkt P(1| 7 2 ) verläuft.

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(

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 +9 (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 -3 x 2 +9

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 | 7 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -3 x 2 +9 ,
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 +9 = 1 -31 +9 = 1 -3 +9 = 7

Wir erhalten so also den Punkt B(1 | 7 ) als Berührpunkt.

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

7 = -3 1 + c

7 = -3 + c | + 3

10 = c

also c= 10

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅x + 10

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

-3x +10 = 0 | -10
-3x = -10 |:(-3 )
x = 10 3

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 3.333.

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 -1,5 x 2 +3,375 (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 -1,5 x 2 +3,375

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -3x +0

= 3 x 2 -3x


f''(x)= 6x -3


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 = 0 | +3
6x = 3 |:6
x = 1 2 = 0.5

Die Lösung x= 1 2 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W( 1 2 | 12,5 4 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,5 x 2 +3,375 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -3x +0

= 3 x 2 -3x

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

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

= 3( 1 4 ) - 3 2

= 3 4 - 3 2

= 3 4 - 6 4

= - 3 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 3 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 ) 3 -1,5 ( 1 2 ) 2 +3,375 = 1 8 -1,5( 1 4 ) +3,375 = 1 8 - 1,5 4 +3,375 = 1 8 - 3 8 + 27 8 = 25 8 ≈ 3.13

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 2 | 25 8 ) als Berührpunkt.

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

25 8 = - 3 4 1 2 + c

25 8 = - 3 8 + c | + 3 8

7 2 = c

also c= 7 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 3 4 ⋅x + 7 2

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

- 3 4 x + 7 2 = 0 |⋅ 4
4( - 3 4 x + 7 2 ) = 0
-3x +14 = 0 | -14
-3x = -14 |:(-3 )
x = 14 3

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 4.667.