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 ) + 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

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( 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 = c

also c= 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 1 ⋅x + 4

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

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

f'(x)= -2( x -1 ) · ( 1 +0 )

= -2( x -1 ) · ( 1 )

= -2( x -1 )

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

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

= -2 · 1

= -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(2)= - ( 2 -1 ) 2 = - 1 2 = -1

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

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

-1 = -2 2 + c

-1 = -4 + c | + 4

3 = c

also c= 3

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

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 7 2 e x +1 an der Stelle x= -1 :

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 7 2 e x +1 ,
also

f'(x)= 7 2 e x +1 · 1

= 7 2 e x +1

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

mt = f'( -1 )= 7 2 e -1 +1

= 7 2 e 0

= 7 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 7 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 )= 7 2 e -1 +1 = 7 2 e 0 = 7 2

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | 7 2 ) als Berührpunkt.

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

7 2 = 7 2 ⋅( -1 ) + c

7 2 = - 7 2 + c | + 7 2

7 = c

also c= 7

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

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= e -2x +3 · ( -2 )

= -2 e -2x +3

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

mt = f'(1)= -2 e -21 +3

= -2 e -2 +3

= -2 e 1

= -2e

≈ -5.44

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -2e 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)= e -21 +3 = e -2 +3 = e 1 = e ≈ 2.72

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

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

e = -2e 1 + c

e = -2e + c | + 2e

3e = c

also c= 3e ≈ 8.15

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2e ⋅x + 3e oder y=-5.44x +8.15

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= - sin( x ) +3

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

mt = f'( 2π )= - sin( 2π ) +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( 2π )= cos( 2π ) +3( 2π ) = 1 +3( 2π ) ≈ 19.85

Wir erhalten so also den Punkt B( 2π | 1 +6π ) als Berührpunkt.

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

1 +6π = - 1 3 2π + c

1 +6π = - 2 3 π + c | + 2 3 π

1 + 20 3 π = c

also c= 1 + 20 3 π ≈ 21.94

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 3 ⋅x + 1 + 20 3 π oder y=-0.33x +21.94

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-2|0) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= 4 x 2 -2x -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 -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)= 8u -2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = ( 8u -2 ) · ( -2 - u ) + 4 u 2 -2u -4

( 8u -2 ) ( -2 - u ) +4 u 2 -2u -4 = 0

-8 u 2 -14u +4 +4 u 2 -2u -4 = 0

-4 u 2 -16u +0 = 0

Die Lösung der Gleichung:

-4 u 2 -16u +0 = 0
-4 u 2 -16u = 0
-4 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
u2 = -4

L={ -4 ; 0}


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= -4 :

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

f'(x)= 8x -2 +0

= 8x -2

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

mt = f'( -4 )= 8( -4 ) -2

= -32 -2

= -34

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -34 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 )= 4 ( -4 ) 2 -2( -4 ) -4 = 416 +8 -4 = 64 +8 -4 = 68

Wir erhalten so also den Punkt B( -4 | 68 ) als Berührpunkt.

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

68 = -34 ⋅( -4 ) + c

68 = 136 + c | -136

-68 = c

also c= -68

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -34 ⋅x -68


An der Stelle x=0:

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

f'(x)= 8x -2 +0

= 8x -2

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

mt = f'(0)= 80 -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)= 4 0 2 -20 -4 = 40 +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

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 5 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 (45|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 5 ( x -3 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(45|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(45|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 5 ( u -3 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 5 ( u -3 ) 2 · ( 45 - u ) + 5 u -3

-5 45 - u ( u -3 ) 2 + 5 u -3 = 0 | ⋅ ( u -3 ) 2

( -5 45 - u ( u -3 ) 2 + 5 u -3 ) · ( u -3 ) 2 = 0

-5 45 - u ( u -3 ) 2 · ( u -3 ) 2 + 5 u -3 · ( u -3 ) 2 = 0

-5( 45 - u )+5( u -3 ) = 0

-225 +5u +5u -15 = 0

10u -240 = 0

Die Lösung der Gleichung:

10u -240 = 0 | +240
10u = 240 |:10
u = 24

L={ 24 }


Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 24 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| 5 2 ) und einen gesuchten Punkt Q auf dem Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 -2x +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(1| 5 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| 5 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| 5 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:

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

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

1 2 + u 2 -2u +2 - 5 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 +2 = 2 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q(0| 2 )

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

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 -2,1 x 2 +3,528 (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 -2,1 x 2 +3,528

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

f'(x)= 3 x 2 -4,2x +0

= 3 x 2 -4,2x


f''(x)= 6x -4,2


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 -4,2 = 0 | +4,2
6x = 4,2 |:6
x = 0,7

Die Lösung x= 0,7 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(0,7 | 2,842 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -2,1 x 2 +3,528 ,
also

f'(x)= 3 x 2 -4,2x +0

= 3 x 2 -4,2x

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

mt = f'(0,7 )= 3 0,7 2 -4,20,7

= 30,49 -2,94

= 1,47 -2,94

= -1,47

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -1,47 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(0,7 )= 0,7 3 -2,1 0,7 2 +3,528 = 0,343 -2,10,49 +3,528 = 0,343 -1,029 +3,528 = 2,842 ≈ 2.84

Wir erhalten so also den Punkt B(0,7 | 2,842 ) als Berührpunkt.

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

2,842 = -1,47 0,7 + c

2,842 = -1,029 + c | + 1,029

3,871 = c

also c= 3,871 ≈ 3.87

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -1,47 ⋅x + 3,871 oder y=-1.47x +3.87

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

-1,47x +3,871 = 0 | -3,871
-1,47x = -3,871 |:(-1,47 )
x = 2,6333

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.633.

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(-3|34) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= 4 x 2 -5x -1 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)= 8x -5

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(-3|34) 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(-3|34) 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:

34 = ( 8u -5 ) · ( -3 - u ) + 4 u 2 -5u -1 | -34

( 8u -5 ) ( -3 - u ) +4 u 2 -5u -1 -34 = 0

-8 u 2 -19u +15 +4 u 2 -5u -1 -34 = 0

-4 u 2 -24u -20 = 0

Die Lösung der Gleichung:

-4 u 2 -24u -20 = 0 |:4

- u 2 -6u -5 = 0

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

u1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · ( -1 ) · ( -5 ) 2( -1 )

u1,2 = +6 ± 36 -20 -2

u1,2 = +6 ± 16 -2

u1 = 6 + 16 -2 = 6 +4 -2 = 10 -2 = -5

u2 = 6 - 16 -2 = 6 -4 -2 = 2 -2 = -1

L={ -5 ; -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= -5 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 4 x 2 -5x -1 ,
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'( -5 )= 8( -5 ) -5

= -40 -5

= -45

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -45 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( -5 )= 4 ( -5 ) 2 -5( -5 ) -1 = 425 +25 -1 = 100 +25 -1 = 124

Wir erhalten so also den Punkt B( -5 | 124 ) als Berührpunkt.

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

124 = -45 ⋅( -5 ) + c

124 = 225 + c | -225

-101 = c

also c= -101

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -45 ⋅x -101


An der Stelle x= -1 :

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 4 x 2 -5x -1 ,
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 )= 8( -1 ) -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 -5( -1 ) -1 = 41 +5 -1 = 4 +5 -1 = 8

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

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

8 = -13 ⋅( -1 ) + c

8 = 13 + c | -13

-5 = c

also c= -5

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -13 ⋅x -5