Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -4 sin( x ) +2

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

mt = f'( 3π )= -4 sin( 3π ) +2

= -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( 3π )= 4 cos( 3π ) +2( 3π ) = 4( -1 ) +2( 3π ) = -4 +2( 3π ) ≈ 14.85

Wir erhalten so also den Punkt B( 3π | -4 +6π ) als Berührpunkt.

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

-4 +6π = 2 3π + c

-4 +6π = 6π + c | -6π

-4 = c

also c= -4

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

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 3 sin( -2x + π) · ( -2 +0 )

= 3 sin( -2x + π) · ( -2 )

= -6 sin( -2x + π)

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

mt = f'( 1 2 π )= -6 sin( -2( 1 2 π ) + π)

= -6 sin(0)

= -60

= 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 )= -3 cos( -2( 1 2 π ) + π) = -3 cos(0) = -31 = -3

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

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

-3 = 0 1 2 π + c

-3 = 0 + c

-3 = c

also c= -3

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

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

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

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= -2 x · e x +1 ,
also

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

= -2 e x +1 -2 x · e x +1

= e x +1 · ( -2 -2x )

= e x +1 · ( -2x -2 )

= ( -2x -2 ) · e x +1

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

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

= e 0 · ( 2 -2 )

= 1 · 0

= 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 · ( -1 ) · e -1 +1 = -2 · ( -1 ) · e 0 = -2 · ( -1 ) · 1 = 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 = 0⋅( -1 ) + c

2 = 0 + c

2 = c

also c= 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y=0⋅x + 2

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= e -x +3 · ( -1 )

= - e -x +3

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

mt = f'(0)= - e -0 +3

= - e 3

≈ -20.09

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - e 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(0)= e -0 +3 = e 3 ≈ 20.09

Wir erhalten so also den Punkt B(0| e 3 ) als Berührpunkt.

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

e 3 = - e 3 0 + c

e 3 = 0 + c

e 3 = c

also c= e 3 ≈ 20.09

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - e 3 ⋅x + e 3 oder y=-20.09x +20.09

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= x 3 +3x an der Stelle x=0:

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

f'(x)= 3 x 2 +3

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

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

= 30 +3

= 0 +3

= 3

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

mn= - 1 mt

also mn= - 1 3

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= - 1 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(0)= 0 3 +30 = 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 3 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 3 ⋅x +0 oder y=-0.33x

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(0|-25) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= 5 x 2 +5x -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)= 10x +5

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(0|-25) 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(0|-25) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= 10u +5 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

-25 = ( 10u +5 ) · ( 0 - u ) + 5 u 2 +5u -5 | +25

- ( 10u +5 ) u +5 u 2 +5u -5 +25 = 0

-10 u 2 -5u +5 u 2 +5u -5 +25 = 0

-5 u 2 +0 +20 = 0

Die Lösung der Gleichung:

-5 u 2 +0 +20 = 0
-5 u 2 +20 = 0 | -20
-5 u 2 = -20 |: ( -5 )
u 2 = 4 | 2
u1 = - 4 = -2
u2 = 4 = 2

L={ -2 ; 2 }


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 +5x -5 ,
also

f'(x)= 10x +5 +0

= 10x +5

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

mt = f'( -2 )= 10( -2 ) +5

= -20 +5

= -15

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -15 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 +5( -2 ) -5 = 54 -10 -5 = 20 -10 -5 = 5

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | 5 ) als Berührpunkt.

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

5 = -15 ⋅( -2 ) + c

5 = 30 + c | -30

-25 = c

also c= -25

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -15 ⋅x -25


An der Stelle x= 2 :

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

f'(x)= 10x +5 +0

= 10x +5

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

mt = f'( 2 )= 102 +5

= 20 +5

= 25

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 25 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 +52 -5 = 54 +10 -5 = 20 +10 -5 = 25

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

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

25 = 25 2 + c

25 = 50 + c | -50

-25 = c

also c= -25

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 25 ⋅x -25

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 9 x -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.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 9 ( x -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)= - 9 ( u -2 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 9 ( u -2 ) 2 · ( 20 - u ) + 9 u -2

-9 20 - u ( u -2 ) 2 + 9 u -2 = 0 | ⋅ ( u -2 ) 2

( -9 20 - u ( u -2 ) 2 + 9 u -2 ) · ( u -2 ) 2 = 0

-9 20 - u ( u -2 ) 2 · ( u -2 ) 2 + 9 u -2 · ( u -2 ) 2 = 0

-9( 20 - u )+9( u -2 ) = 0

-180 +9u +9u -18 = 0

18u -198 = 0

Die Lösung der Gleichung:

18u -198 = 0 | +198
18u = 198 |:18
u = 11

L={ 11 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 11 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Die Gerade durch den Punkt P( 3 32 | 7 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= 1 3 x 2 +2 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( 3 32 | 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)= 2 3 u

Wir kennen den Kurvenpunkt von Gf, an dem die gesuchte Normale durch P( 3 32 | 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 2 3 u = - 3 2 u

Wir können also P( 3 32 | 7 2 ) als (x|y), den gesuchten Kurvenpunkt Q(u|f(u)) und - 1 f '(u) = - 3 2 u in die allgemeine Normalengleichung

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

7 2 = -1 2 3 u · ( 3 32 - u ) + 1 3 u 2 +2 | - 7 2

- 3 2 3 32 - u u + 1 3 u 2 +2 - 7 2 = 0 | ⋅ 2 3 u

( - 3 2 3 32 - u u + 1 3 u 2 +2 - 7 2 ) · 2 3 u = 0

- 3 2 3 32 - u u · 2 3 u + 1 3 u 2 · 2 3 u + 2 · 2 3 u - 7 2 · 2 3 u = 0

-( 3 32 - u ) + 2 9 u 2 · u + 4 3 u - 7 3 u = 0

- 3 32 + u + 2 9 u 3 + 4 3 u - 7 3 u = 0

2 9 u 3 +0 - 3 32 = 0

Die Lösung der Gleichung:

2 9 u 3 +0 - 3 32 = 0
2 9 u 3 - 3 32 = 0 | + 3 32
2 9 u 3 = 3 32 |⋅ 9 2
u 3 = 27 64 | 3
u = 27 64 3 = 3 4

L={ 3 4 }


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( 3 4 ) = 1 3 ( 3 4 ) 2 +2 = 35 16 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 3 4 | 35 16 ) bzw. Q(0.75|2.19)

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 +13,851 (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 -2,7 x 2 +13,851

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 | 12,393 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -2,7 x 2 +13,851 ,
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 +13,851 = 0,729 -2,70,81 +13,851 = 0,729 -2,187 +13,851 = 12,393 ≈ 12.39

Wir erhalten so also den Punkt B(0,9 | 12,393 ) als Berührpunkt.

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

12,393 = -2,43 0,9 + c

12,393 = -2,187 + c | + 2,187

14,58 = c

also c= 14,58 ≈ 14.58

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2,43 ⋅x + 14,58 oder y=-2.43x +14.58

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

-2,43x +14,58 = 0 | -14,58
-2,43x = -14,58 |:(-2,43 )
x = 6

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 6.

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 -1,8 x 2 +2,268 (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 -1,8 x 2 +2,268

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -3,6x +0

= 3 x 2 -3,6x


f''(x)= 6x -3,6


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 -3,6 = 0 | +3,6
6x = 3,6 |:6
x = 0,6

Die Lösung x= 0,6 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(0,6 | 1,836 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,8 x 2 +2,268 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -3,6x +0

= 3 x 2 -3,6x

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

mt = f'(0,6 )= 3 0,6 2 -3,60,6

= 30,36 -2,16

= 1,08 -2,16

= -1,08

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -1,08 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(0,6 )= 0,6 3 -1,8 0,6 2 +2,268 = 0,216 -1,80,36 +2,268 = 0,216 -0,648 +2,268 = 1,836 ≈ 1.84

Wir erhalten so also den Punkt B(0,6 | 1,836 ) als Berührpunkt.

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

1,836 = -1,08 0,6 + c

1,836 = -0,648 + c | + 0,648

2,484 = c

also c= 2,484 ≈ 2.48

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1,08 ⋅x + 2,484 oder y=-1.08x +2.48

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

-1,08x +2,484 = 0 | -2,484
-1,08x = -2,484 |:(-1,08 )
x = 2,3

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.3.