Aufgabenbeispiele von Tangenten

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Tangente anlegen (ganzzahlige Koef.)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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:

m = f'(0)= 40 -1

= 0 -1

= -1

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente 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 2 - 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 Tangente: y= -1 ⋅x +0

Tangente anlegen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= -8x +0

= -8x

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

m = f'( -2 )= -8( -2 )

= 16

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 16 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 )= -4 ( -2 ) 2 +4 = -44 +4 = -16 +4 = -12

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -12 ) als Berührpunkt.

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

-12 = 16 -2 + c

-12 = -32 + c | + 32

20 = c

also c= 20

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 16 ⋅x + 20

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= -5 x 3 +5 an der Stelle x= 1 :

Lösung einblenden

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

f'(x)= -15 x 2 +0

= -15 x 2

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

m = f'( 1 )= -15 1 2

= -151

= -15

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

mn=- 1 mt

also mn= 1 15

Damit wissen wir nun schon, dass die Normale die Gleichung t: y= 1 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( 1 )= -5 1 3 +5 = -51 +5 = -5 +5 = 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 15 1 + c

0 = 1 15 + c | - 1 15

- 1 15 = c

also c= - 1 15 ≈ -0.07

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= 1 15 ⋅x - 1 15 oder y=0.07x -0.07

Steigungswinkel

Beispiel:

Berechne den Steigungswinkel der Tangente an den Graphen von f mit f(x)= 3 2 x 4 -2x +7 im Punkt P(0|f(0)):

Lösung einblenden

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 4 -2x +7

=>f'(x)= 6 x 3 -2 +0

f'(0) = 6 0 3 -2 = 60 -2 = -2

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( -2 )) ≈ -63.4°.

Steigungswinkel rückwärts

Beispiel:

In einem Punkt B(x0|f(x0)) wird eine Tangente mit dem Steigungswinkel α ≈ -63.435° an die den Graph der Funktion f mit f(x)= 3 4 x 4 + x -6 angelegt.

Bestimme x0.

Lösung einblenden

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)= 3 4 x 4 + x -6 ab:

f'(x) = 3 x 3 +1

Es muss gelten:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 6x +1

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

m = f'( 1 )= 61 +1

= 6 +1

= 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 )= 3 1 2 +1 = 31 +1 = 3 +1 = 4

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 | 4 ) als Berührpunkt.

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

4 = 7 1 + c

4 = 7 + c | -7

-3 = c

also c= -3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 7 ⋅x -3

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = 7x -3

7x -3 = 0 | +3
7x = 3 |:7
x = 3 7

Die gesuchte Nullstelle des Tangente ist somit bei x = 3 7 ≈ 0.43.

Nullstelle einer Tangente Anwendung

Beispiel:

Das Wasservolumen in einem Wassertank lässt sich näherungsweise durch den Term f(t)= 8 - 1 116 t 4 beschreiben (t in Sekunden nach Beobachtungsbeginn, f(t) im m³).
Nach 4 Sekunden bleibt die momentane Änderungsrate des Wasservolumens konstant bei dem Wert, den sie zum Zeitpunkt t=4s hatte.
Wann ist der Tank leer?

Lösung einblenden

Wir brauchen also die Tangente an den Graph von f im Punkt B(4|f(4)):

Du hast entweder einen veralteten Browser oder Javascript ausgeschaltet. Deswegen kannst du leider das Schaubild nicht sehen :(

Zuerst braucht man die Ableitung von f(t)= 8 - 1 116 t 4 ,
also

f'(t)= 0 - 1 29 t 3

= - 1 29 t 3

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

m = f'(4)= - 1 29 4 3

= - 1 29 64

= - 64 29

≈ -2.21

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 64 29 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(4)= 8 - 1 116 4 4 = 8 - 1 116 256 = 8 - 64 29 = 232 29 - 64 29 = 168 29 ≈ 5.79

Wir erhalten so also den Punkt B(4| 168 29 ) als Berührpunkt.

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

168 29 = - 64 29 4 + c

168 29 = - 256 29 + c | + 256 29

424 29 = c

also c= 424 29 ≈ 14.62

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 64 29 ⋅t + 424 29 oder y=-2.21t +14.62

Jetzt brauchen wir noch die Nullstelle dieser linearen (Tangenten-)Funktion: t: y = - 64 29 t + 424 29

- 64 29 t + 424 29 = 0 |⋅ 29
29( - 64 29 t + 424 29 ) = 0
-64t +424 = 0 | -424
-64t = -424 |:(-64 )
t = 53 8

Die gesuchte Nullstelle des Tangente ist somit bei t = 53 8 ≈ 6.63.