Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= -4 x 2 +5x an der Stelle x= -1 :

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

f'(x)= -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 ) = -41 -5 = -4 -5 = -9

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | -9 ) als Berührpunkt.

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

-9 = 13 ⋅( -1 ) + c

-9 = -13 + c | + 13

4 = c

also c= 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 13 ⋅x + 4

Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= -5 x 2 - 1 2 x an der Stelle x=0:

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

f'(x)= -10x - 1 2

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

mt = f'(0)= -100 - 1 2

= 0 - 1 2

= 0 - 1 2

= - 1 2

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 1 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)= -5 0 2 - 1 2 0 = -50 +0 = 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 2 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 1 2 ⋅x +0

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 2 x 3 + x an der Stelle x=0:

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

f'(x)= 6 x 2 +1

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

mt = f'(0)= 6 0 2 +1

= 60 +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(0)= 2 0 3 +0 = 20 +0 = 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 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

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

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= x 4 + 3 2 x 3 im Punkt P(-2|f(-2)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-2|f(-2)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -2 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= x 4 + 3 2 x 3

=>f'(x)= 4 x 3 + 9 2 x 2

f'(-2) = 4 ( -2 ) 3 + 9 2 ( -2 ) 2 = 4( -8 ) + 9 2 4 = -32 +18 = -14

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'(-2)) = arctan( -14 )) ≈ -85.9°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -45° an den Graph der Funktion f mit f(x)= 1 4 x 4 +1 angelegt.

Bestimme x0.

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Wenn der Steigungswinkel α = -45° ist, muss die Steigung dieser Tangente m = tan(-45°) ≈ -1 betragen.

Wir suchen also die Stelle x0, an der die Steigung der Tangente m = -1 ist.

Die Steigung der Tangente an einer Stelle x0 können wir ja aber mit m = f'(x0) berechnen, also muss f'(x0) = -1 gelten.

Wir leiten somit f mit f(x)= 1 4 x 4 +1 ab:

f'(x) = x 3

Es muss gelten:

x 3 = -1 | 3
x = - 1 3 = -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)= 2 x 2 -2x +6 im Punkt B(0|f(0)) die x-Achse schneidet:

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 2 x 2 -2x +6 ,
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'(0)= 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(0)= 2 0 2 -20 +6 = 20 +0 +6 = 0+0 +6 = 6

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

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

6 = -2 0 + c

6 = 0 + c

6 = c

also c= 6

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -2 ⋅x + 6

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -2x +6

-2x +6 = 0 | -6
-2x = -6 |:(-2 )
x = 3

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = 3 .

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 9 - 1 36 t 4 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m/s).
Nach 3 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate der Geschwindigkeit konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=3s hatte.
Wann kommt der Radfahrer zum Stillstand?

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Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(3|f(3)):

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 9 - 1 36 t 4 ,
also

f'(t)= 0 - 1 9 t 3

= - 1 9 t 3

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

mt = f'(3)= - 1 9 3 3

= - 1 9 27

= -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(3)= 9 - 1 36 3 4 = 9 - 1 36 81 = 9 - 9 4 = 36 4 - 9 4 = 27 4

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 27 4 ) als Berührpunkt.

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

27 4 = -3 ⋅3 + c

27 4 = -9 + c | + 9

63 4 = c

also c= 63 4

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅t + 63 4

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -3t + 63 4

-3t + 63 4 = 0 |⋅ 4
4( -3t + 63 4 ) = 0
-12t +63 = 0 | -63
-12t = -63 |:(-12 )
t = 21 4 = 5.25

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 21 4 ≈ 5.25.