Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -4x +3

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

mt = f'(0)= -40 +3

= 0 +3

= 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(0)= -2 0 2 +30 = -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 = 3 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

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

Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 9 x 2 +2

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

mt = f'(0)= 9 0 2 +2

= 90 +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)= 3 0 3 +20 = 30 +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 = 2 0 + c

0 = 0 + c

0 = c

also c=0

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

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 4 3 x -3

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

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

= 8 3 -3

= 8 3 - 9 3

= - 1 3

≈ -0.33

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

mn= - 1 mt

also mn= 3

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale 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( 2 )= 2 3 2 2 -32 = 2 3 4 -6 = 8 3 -6 = 8 3 - 18 3 = - 10 3 ≈ -3.33

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | - 10 3 ) als Berührpunkt.

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

- 10 3 = 3 2 + c

- 10 3 = 6 + c | -6

- 28 3 = c

also c= - 28 3 ≈ -9.33

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 3 ⋅x - 28 3 oder y=3x -9.33

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 1 2 x 3 + x 2 im Punkt P(-1|f(-1)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(-1|f(-1)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = -1 in die Ableitungsfunktion ein:

f(x)= 1 2 x 3 + x 2

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

f'(-1) = 3 2 ( -1 ) 2 +2( -1 ) = 3 2 1 -2 = 3 2 -2 = - 1 2 ≈ -0.5

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'(-1)) = arctan( - 1 2 )) ≈ -26.6°.

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 10 x 4 -49x -7 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 10 x 4 -49x -7 ab:

f'(x) = 2 5 x 3 -49

Es muss gelten:

2 5 x 3 -49 = 1 | +49
2 5 x 3 = 50 |⋅ 5 2
x 3 = 125 | 3
x = 125 3 = 5

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ 5.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

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

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

f'(x)= -4x +1

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

mt = f'( 1 )= -41 +1

= -4 +1

= -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 )= -2 1 2 +1 = -21 +1 = -2 +1 = -1

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

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

-1 = -3 1 + c

-1 = -3 + c | + 3

2 = c

also c= 2

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

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = -3x +2

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

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = 2 3 ≈ 0.67.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 6 - 1 48 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)= 6 - 1 48 t 4 ,
also

f'(t)= 0 - 1 12 t 3

= - 1 12 t 3

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

mt = f'(3)= - 1 12 3 3

= - 1 12 27

= - 9 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 9 4 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)= 6 - 1 48 3 4 = 6 - 1 48 81 = 6 - 27 16 = 96 16 - 27 16 = 69 16 ≈ 4.31

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 69 16 ) als Berührpunkt.

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

69 16 = - 9 4 ⋅3 + c

69 16 = - 27 4 + c | + 27 4

177 16 = c

also c= 177 16 ≈ 11.06

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 9 4 ⋅t + 177 16 oder y=-2.25t +11.06

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = - 9 4 t + 177 16

- 9 4 t + 177 16 = 0 |⋅ 16
16( - 9 4 t + 177 16 ) = 0
-36t +177 = 0 | -177
-36t = -177 |:(-36 )
t = 59 12

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 59 12 ≈ 4.92.