Aufgabenbeispiele von Tangenten

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Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

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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'( -2 )= -6⋅( -2 ) +3

= 12 +3

= 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 )= -3⋅ ( -2 ) 2 +3⋅( -2 ) = -3⋅4 -6 = -12 -6 = -18

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -18 ) als Berührpunkt.

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

-18 = 15 ⋅( -2 ) + c

-18 = -30 + c | + 30

12 = c

also c= 12

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 15 ⋅x + 12

Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

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

= - 2 3 x

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

mt = f'( 1 )= - 2 3 ⋅1

= - 2 3

≈ -0.67

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 2 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 )= - 1 3 ⋅ 1 2 +3 = - 1 3 ⋅1 +3 = - 1 3 +3 = - 1 3 + 9 3 = 8 3 ≈ 2.67

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | 8 3 ) als Berührpunkt.

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

8 3 = - 2 3 ⋅ 1 + c

8 3 = - 2 3 + c | + 2 3

10 3 = c

also c= 10 3 ≈ 3.33

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 2 3 ⋅x + 10 3 oder y=-0.67x +3.33

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= 2x -3

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

mt = f'(0)= 2⋅0 -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 2 -3⋅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 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

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= x 3 +2 x 2 -7 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)= x 3 +2 x 2 -7

=>f'(x)= 3 x 2 +4x +0

f'(-1) = 3⋅ ( -1 ) 2 +4⋅( -1 ) = 3⋅1 -4 = 3 -4 = -1

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 )) ≈ -45°.

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 +10x +5 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 +10x +5 ab:

f'(x) = 2x +10

Es muss gelten:

2x +10 = 2 | -10
2x = -8 |:2
x = -4

Die gesuchte Stelle ist somit x0 ≈ -4.

Nullstelle einer Tangente

Beispiel:

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

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

f'(x)= -6x +0

= -6x

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

mt = f'( -1 )= -6⋅( -1 )

= 6

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 6 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 -3 = -3⋅1 -3 = -3 -3 = -6

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | -6 ) als Berührpunkt.

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

-6 = 6 ⋅( -1 ) + c

-6 = -6 + c | + 6

0 = c

also c=0

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 6 ⋅x +0

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

6x = 0 |:6
x = 0

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei x = 0.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 8 - 1 12 t 3 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)= 8 - 1 12 t 3 ,
also

f'(t)= 0 - 1 4 t 2

= - 1 4 t 2

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

mt = f'(3)= - 1 4 ⋅ 3 2

= - 1 4 ⋅9

= - 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)= 8 - 1 12 ⋅ 3 3 = 8 - 1 12 ⋅27 = 8 - 9 4 = 32 4 - 9 4 = 23 4

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 23 4 ) als Berührpunkt.

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

23 4 = - 9 4 ⋅3 + c

23 4 = - 27 4 + c | + 27 4

25 2 = c

also c= 25 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 9 4 ⋅t + 25 2

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = - 9 4 t + 25 2

- 9 4 t + 25 2 = 0 |⋅ 4
4( - 9 4 t + 25 2 ) = 0
-9t +50 = 0 | -50
-9t = -50 |:(-9 )
t = 50 9

Die gesuchte Nullstelle der Tangente ist somit bei t = 50 9 ≈ 5.56.