Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= -5 x 2 -3x an der Stelle x= -1 :

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

f'(x)= -10x -3

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

mt = f'( -1 )= -10( -1 ) -3

= 10 -3

= 7

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 7 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 )= -5 ( -1 ) 2 -3( -1 ) = -51 +3 = -5 +3 = -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 = 7 ⋅( -1 ) + c

-2 = -7 + c | + 7

5 = c

also c= 5

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 7 ⋅x + 5

Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 3 x 2 +1

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

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

= 31 +1

= 3 +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( -1 )= ( -1 ) 3 -1 = ( -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 = 4 ⋅( -1 ) + c

-2 = -4 + c | + 4

2 = c

also c= 2

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

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= -6x +3

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

mt = f'( 1 )= -61 +3

= -6 +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( 1 )= -3 1 2 +31 = -31 +3 = -3 +3 = 0

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

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

0 = 1 3 1 + c

0 = 1 3 + c | - 1 3

- 1 3 = c

also c= - 1 3 ≈ -0.33

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

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= - 3 2 x 3 +2x im Punkt P(-3|f(-3)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-3|f(-3)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -3 in die Ableitungsfunktion ein:

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

=>f'(x)= - 9 2 x 2 +2

f'(-3) = - 9 2 ( -3 ) 2 +2 = - 9 2 9 +2 = - 81 2 +2 = - 77 2 ≈ -38.5

Für den Steigungswinkel α einer Geraden mit Steigung m gilt:

tan(α) = m.

Also können wir den Steigungswinkel α berechnen mit:

α = arctan(m) = arctan(f'(-3)) = arctan( - 77 2 )) ≈ -88.5°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -63.435° an den Graph der Funktion f mit f(x)= x 2 +8 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -63.435° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-63.435°) ≈ -2 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -2 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -2 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= x 2 +8 ab:

f'(x) = 2x

Es muss gelten:

2x = -2 |:2
x = -1

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -1.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

Bestimme den x-Wert, an dem die Tangente an den Graphen von f mit f(x)= x 3 - x 2 im Punkt B( -1 |f( -1 )) die x-Achse schneidet:

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

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

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

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

= 31 +2

= 3 +2

= 5

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 5 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 - ( -1 ) 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 = 5 ⋅( -1 ) + c

-2 = -5 + c | + 5

3 = c

also c= 3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 5 ⋅x + 3

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 5x +3

5x +3 = 0 | -3
5x = -3 |:5
x = - 3 5 = -0.6

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = - 3 5 ≈ -0.6.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 9 - 1 4 t 3 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m/s).
Nach 2 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate der Geschwindigkeit konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=2s hatte.
Wann kommt der Radfahrer zum Stillstand?

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Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(2|f(2)):

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 9 - 1 4 t 3 ,
also

f'(t)= 0 - 3 4 t 2

= - 3 4 t 2

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

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

= - 3 4 4

= -3

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -3 t+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)= 9 - 1 4 2 3 = 9 - 1 4 8 = 9 -2 = 7

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

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

7 = -3 ⋅2 + c

7 = -6 + c | + 6

13 = c

also c= 13

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅t + 13

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -3t +13

-3t +13 = 0 | -13
-3t = -13 |:(-3 )
t = 13 3

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 13 3 ≈ 4.33.