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 3 -3 an der Stelle x=0:

Lösung einblenden

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= 4 x 3 -3 ,
also

f'(x)= 12 x 2 +0

= 12 x 2

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

m = f'(0)= 12 0 2

= 120

= 0

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y=0x+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 3 -3 = 40 -3 = 0 -3 = -3

Wir erhalten so also den Punkt B(0| -3 ) als Berührpunkt.

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

-3 = 00 + c

-3 = 0 + c

-3 = c

also c= -3

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

Tangente anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= -9 x 2 +0

= -9 x 2

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

m = f'( 2 )= -9 2 2

= -94

= -36

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -36 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 3 +2 = -38 +2 = -24 +2 = -22

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | -22 ) als Berührpunkt.

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

-22 = -36 2 + c

-22 = -72 + c | + 72

50 = c

also c= 50

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -36 ⋅x + 50

Normale anlegen

Beispiel:

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

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

f'(x)= -2x +0

= -2x

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

m = f'( 2 )= -22

= -4

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

mn=- 1 mt

also mn= 1 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 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( 2 )= - 2 2 -2 = -4 -2 = -6

Wir erhalten so also den Punkt B( 2 | -6 ) als Berührpunkt.

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

-6 = 1 4 2 + c

-6 = 1 2 + c | - 1 2

- 13 2 = c

also c= - 13 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 4 ⋅x - 13 2

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 3 -3 x 2 -1 im Punkt P(0|f(0)):

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Um den Steigungswinkel zu berechnen brauchen wir zuerst einmal die Tangentensteigung im Punkt P(0|f(0)).

Dazu leiten wir f erst ab und setzen dann x = 0 in die Ableitungsfunktion ein:

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

=>f'(x)= 9 2 x 2 -6x +0

f'(0) = 9 2 0 2 -60 = 9 2 0 +0 = 0

Für den Steigungswinkel α einer Geraden mit Steigung m gilt:

tan(α) = m.

Also können den Steigungswinkel α berechnen mit:

α = arctan(m) = arctan(f'(0)) = arctan(0)) ≈ .

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ 45° an die den Graph der Funktion f mit f(x)= 3 20 x 4 -74x +6 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)= 3 20 x 4 -74x +6 ab:

f'(x) = 3 5 x 3 -74

Es muss gelten:

3 5 x 3 -74 = 1 | +74
3 5 x 3 = 75 |⋅ 5 3
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)= x 3 -1 -6 im Punkt B( 1 |f( 1 )) die x-Achse schneitet:

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1 -6 ,
also

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

= 3 x 2

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

m = f'( 1 )= 3 1 2

= 31

= 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 )= 1 3 -1 -6 = 1 -1 -6 = -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 = 3 1 + c

-6 = 3 + c | -3

-9 = c

also c= -9

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 3 ⋅x -9

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 3x -9

3x -9 = 0 | +9
3x = 9 |:3
x = 3

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

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Die Geschwindigkeit eines Radfahrers lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 6 - 1 8 t 2 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 8 t 2 ,
also

f'(t)= 0 - 1 4 t

= - 1 4 t

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

m = f'(3)= - 1 4 3

= - 3 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 3 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 8 3 2 = 6 - 1 8 9 = 6 - 9 8 = 48 8 - 9 8 = 39 8 ≈ 4.88

Wir erhalten so also den Punkt B(3| 39 8 ) als Berührpunkt.

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

39 8 = - 3 4 3 + c

39 8 = - 9 4 + c | + 9 4

57 8 = c

also c= 57 8 ≈ 7.13

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 3 4 ⋅t + 57 8 oder y=-0.75t +7.13

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = - 3 4 t + 57 8

- 3 4 t + 57 8 = 0 |⋅ 8
8( - 3 4 t + 57 8 ) = 0
-6t +57 = 0 | -57
-6t = -57 |:(-6 )
t = 19 2 = 9.5

Die gesuchte Nullstelle des Tangente ist somit bei t = 19 2 ≈ 9.5.