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Tangente anlegen (einfache Funktionen)

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= 3 x 3 -4 an der Stelle x= -1 :

Lösung einblenden

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

mt = f'( -1 )= 9 ( -1 ) 2

= 91

= 9

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 9 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 ) 3 -4 = 3( -1 ) -4 = -3 -4 = -7

Wir erhalten so also den Punkt B( -1 | -7 ) als Berührpunkt.

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

-7 = 9 ⋅( -1 ) + c

-7 = -9 + c | + 9

2 = c

also c= 2

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 9 ⋅x + 2

Tangente anlegen (auch verkettete Fkt'n)

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

f'(x)= 3 ( -2x +1 ) 2 · ( -2 +0 )

= 3 ( -2x +1 ) 2 · ( -2 )

= -6 ( -2x +1 ) 2

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

mt = f'(2)= -6 ( -22 +1 ) 2

= -6 ( -4 +1 ) 2

= -6 ( -3 ) 2

= -69

= -54

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= -54 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)= ( -22 +1 ) 3 = ( -4 +1 ) 3 = ( -3 ) 3 = ( -27 )

Wir erhalten so also den Punkt B(2| -27 ) als Berührpunkt.

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

-27 = -54 2 + c

-27 = -108 + c | + 108

81 = c

also c= 81

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -54 ⋅x + 81

e-Funktionen: Tangente anlegen BF

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - 3 5 e -2( x +3 ) an der Stelle x= -3 :

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Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= - 3 5 e -2( x +3 ) ,
also

f'(x)= - 3 5 e -2( x +3 ) · ( -2 )

= 6 5 e -2( x +3 )

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

mt = f'( -3 )= 6 5 e -2( -3 +3 )

= 6 5 e -2 · 0

= 6 5 e 0

= 6 5

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= 6 5 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( -3 )= - 3 5 e -2( -3 +3 ) = - 3 5 e -2 · 0 = - 3 5 e 0 = - 3 5

Wir erhalten so also den Punkt B( -3 | - 3 5 ) als Berührpunkt.

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

- 3 5 = 6 5 ⋅( -3 ) + c

- 3 5 = - 18 5 + c | + 18 5

3 = c

also c= 3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 6 5 ⋅x + 3

e-Funktionen: Tangente anlegen

Beispiel:

Berechne die Tangentengleichung an den Graphen von f mit f(x)= - x · e x an der Stelle x= -1 :

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

f'(x)= - 1 · e x - x · e x

= - e x - x · e x

= e x · ( -1 - x )

= e x · ( -x -1 )

= ( -x -1 ) · e x

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

mt = f'( -1 )= e -1 · ( -( -1 ) -1 )

= e -1 · ( 1 -1 )

= e -1 · 0

= 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( -1 )= - ( -1 ) · e -1 = e -1 ≈ 0.37

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

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

e -1 = 0⋅( -1 ) + c

e -1 = 0 + c

e -1 = c

also c= e -1 ≈ 0.37

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y=0⋅x + e -1 oder y=0x +0.37

Normale anlegen

Beispiel:

Berechne die Gleichung der Normalen an den Graphen von f mit f(x)= 4 sin( x ) +3 an der Stelle x= 0 :

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

f'(x)= 4 cos( x ) +0

= 4 cos( x )

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

mt = f'( 0 )= 4 cos( 0 )

= 41

= 4

Um mit der Tangentensteigung 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( 0 )= 4 sin( 0 ) +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 = - 1 4 0 + c

3 = 0 + c

3 = c

also c= 3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Normale: y= - 1 4 ⋅x + 3

Tangente von außen anlegen

Beispiel:

Vom Punkt P(1|5) aus sollen Tangenten an den Graphen von f mit f(x)= - x 2 +2x -5 angelegt werden.
Bestimme alle möglichen Berührpunkte und bestimme (exemplarisch) eine Tangentengleichung an einem dieser Berührpunkte.

Lösung einblenden

Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= -2x +2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(1|5) an das Schaubild von f angelegt wird, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert u. Der Funktionswert ist dann f(u), da der Berührpunkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem muss die Ableitung in u ja gerade die Tangentensteigung sein, da B(u|f(u)) der Berührpunkt ist.

Wir können also P(1|5) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= -2u +2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

5 = ( -2u +2 ) · ( 1 - u ) + - u 2 +2u -5 | -5

( -2u +2 ) ( 1 - u ) - u 2 +2u -5 -5 = 0

2 u 2 -4u +2 - u 2 +2u -5 -5 = 0

u 2 -2u -8 = 0

Die Lösung der Gleichung:

u 2 -2u -8 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 1 · ( -8 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +32 2

u1,2 = +2 ± 36 2

u1 = 2 + 36 2 = 2 +6 2 = 8 2 = 4

u2 = 2 - 36 2 = 2 -6 2 = -4 2 = -2

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( -1 ) 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = 1 ± 9

x1 = 1 - 3 = -2

x2 = 1 + 3 = 4

L={ -2 ; 4 }


Man hat nun also die x-Werte der Berührpunkte. In diesen müssen nun noch Tangenten an den Graphen von f angelegt werden.


An der Stelle x= -2 :

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

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

= -2x +2

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

mt = f'( -2 )= -2( -2 ) +2

= 4 +2

= 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( -2 )= - ( -2 ) 2 +2( -2 ) -5 = -4 -4 -5 = -13

Wir erhalten so also den Punkt B( -2 | -13 ) als Berührpunkt.

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

-13 = 6 ⋅( -2 ) + c

-13 = -12 + c | + 12

-1 = c

also c= -1

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= 6 ⋅x -1


An der Stelle x= 4 :

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

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

= -2x +2

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

mt = f'( 4 )= -24 +2

= -8 +2

= -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( 4 )= - 4 2 +24 -5 = -16 +8 -5 = -13

Wir erhalten so also den Punkt B( 4 | -13 ) als Berührpunkt.

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

-13 = -6 4 + c

-13 = -24 + c | + 24

11 = c

also c= 11

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -6 ⋅x + 11

Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 2 Berührpunkte:

B(-2|-13) mit der zugehörigen Tangente: 6x -1

B(4|-13) mit der zugehörigen Tangente: -6x +11

Tangente von außen Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= 8 2,5x -2 beschrieben werden kann. An einer bestimmten Stelle stürzt der Snowboarder und rutscht geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Er trifft den Fangzaun im Punkt (45|0). Bestimme den x-Wert des Punktes an dem der Snowboarder gestürzt ist.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= - 20 ( 2,5x -2 ) 2

Wir kennen den Berührpunkt, in dem die gesuchte Tangente durch P(45|0) an das Schaubild von f angelegt wird, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert u. Der Funktionswert ist dann f(u), da der Berührpunkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem muss die Ableitung in u ja gerade die Tangentensteigung sein, da B(u|f(u)) der Berührpunkt ist.

Wir können also P(45|0) als (x|y), den Berührpunkt B(u|f(u)) und m=f'(u)= - 20 ( 2,5u -2 ) 2 in die allgemeine Tangentengleichung

y=f´(u) ⋅(x-u)+f(u)

einsetzen:

0 = - 20 ( 2,5u -2 ) 2 · ( 45 - u ) + 8 2,5u -2

-20 45 - u ( 2,5u -2 ) 2 + 8 2,5u -2 = 0 | ⋅ ( 2,5u -2 ) 2

( -20 45 - u ( 2,5u -2 ) 2 + 8 2,5u -2 ) · ( 2,5u -2 ) 2 = 0

-20 45 - u ( 2,5u -2 ) 2 · ( 2,5u -2 ) 2 + 8 2,5u -2 · ( 2,5u -2 ) 2 = 0

-20( 45 - u )+8( 2,5u -2 ) = 0

-900 +20u +20u -16 = 0

40u -916 = 0

Die Lösung der Gleichung:

40u -916 = 0 | +916
40u = 916 |:40
u = 229 10 = 22.9

L={ 229 10 }


Zusammenfassung:

Es gibt also insgesamt 1 Berührpunkte:

B(22.9|0.145)

Es gibt also genau eine Berührstelle und somit ist x = 22.9 der x-Wert des Punktes im Modell, an dem der Snowboarder bestürtzt ist.

Normale von außen Anwendungen

Beispiel:

Bestimme den Punkt Q auf dem Graphen von f mit f(x) = x 2 +4 , der den kürzesten Abstand zu P( 16 | 9 2 ) hat.

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Der Punkt P liegt "außerhalb" der Parabel der Funktion f. Deswegen muss der Punkt P auf der Normalen an den Graph von f im gesuchten Kurvenpunkt Q liegen.

Gesucht ist der Kurvenpunkt auf dem Graph von f, dessen Normale durch den Punkt P(16| 9 2 ) verläuft.

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Zuerst wird die Ableitung von f berechnet: f'(x)= 2u

Wir kennen den Kurvenpunkt von Gf, an dem die gesuchte Normale durch P(16| 9 2 ) geht, nicht. Deswegen nennen wir den x-Wert dieses gesuchten Punktes u. Der Funktionswert ist dann f(u), da dieser Punkt ja auf dem Schaubild von f liegt. Außerdem ist die Tangentensteigung in diesem Kurvenpunkt Q(u|f(u)) die Ableitung f'(u).

Da wir ja aber die Normale und nicht die Tangente suchen, müssen wir den negativen Kehrwert von f'(u) bilden, um die Steigung der Normalen zu erhalten.

mn = - 1 mt = - 1 f '(u) = -1 2u = - 1 2 u

Wir können also P(16| 9 2 ) als (x|y), den gesuchten Kurvenpunkt Q(u|f(u)) und - 1 f '(u) = - 1 2 u in die allgemeine Normalengleichung

y = - 1 f '(u) ⋅(x-u) + f(u)

einsetzen:

9 2 = -1 2u · ( 16 - u ) + u 2 +4 | - 9 2

- 1 2 16 - u u + u 2 +4 - 9 2 = 0 | ⋅ 2u

( - 1 2 16 - u u + u 2 +4 - 9 2 ) · 2u = 0

- 1 2 16 - u u · 2u + u 2 · 2u + 4 · 2u - 9 2 · 2u = 0

-( 16 - u )+2 u 2 · u +8u -9u = 0

-16 + u +2 u 3 +8u -9u = 0

2 u 3 +0 -16 = 0

Die Lösung der Gleichung:

2 u 3 +0 -16 = 0
2 u 3 -16 = 0 | +16
2 u 3 = 16 |:2
u 3 = 8 | 3
u = 8 3 = 2

L={ 2 }


Man hat nun also die x-Werte der gesuchten Kurvenpunkte. Für die y-Werte muss man eben noch die x-Werte in die Originalfunktion f einsetzen:

f( 2 ) = 2 2 +4 = 8 , also gilt für den gesuchten Kurvenpunkt: Q( 2 | 8 )

Wendetangente Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt bei einem Rennen auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= x 3 -3 x 2 +6,3 (mit 0 ≤ x ≤ 4) beschrieben werden kann. Sollte der Snowboarder an einer bestimmten Stelle stürzen, so rutscht er geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Der Zaun soll nur dort aufgestellt werden, wo der Snowboarder auch wirklich reinrutschen kann. Bestimme den x-Wert, des linken Endes des Zauns.

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Wir suchen also nach dem Wendepunkt:

f(x)= x 3 -3 x 2 +6,3

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= 3 x 2 -6x


f''(x)= 6x -6


Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

6x -6 = 0 | +6
6x = 6 |:6
x = 1

Die Lösung x= 1 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W(1 | 4,3 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -3 x 2 +6,3 ,
also

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

= 3 x 2 -6x

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

mt = f'(1 )= 3 1 2 -61

= 31 -6

= 3 -6

= -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 -3 1 2 +6,3 = 1 -31 +6,3 = 1 -3 +6,3 = 4,3 ≈ 4.3

Wir erhalten so also den Punkt B(1 | 4,3 ) als Berührpunkt.

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

4,3 = -3 1 + c

4,3 = -3 + c | + 3

7,3 = c

also c= 7,3 ≈ 7.3

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= -3 ⋅x + 7,3 oder y=-3x +7.3

Jetzt müssen wir ja noch die Tangente mit der anderen Gerade y = 0 () schneiden, um den gesuchten x-Wert zu erhalten:

-3x +7,3 = 0 | -7,3
-3x = -7,3 |:(-3 )
x = 2,4333

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.433.

Wendetangente Anwendungen

Beispiel:

Ein Snowboarder fährt bei einem Rennen auf einer Linie, die im Modell durch den Graph der Funktion f mit f(x)= x 3 -1,5 x 2 +2,025 (mit 0 ≤ x ≤ 4) beschrieben werden kann. Sollte der Snowboarder an einer bestimmten Stelle stürzen, so rutscht er geradlinig in einen Fangzaun, der im Modell auf der Geraden y=0 liegt. Der Zaun soll nur dort aufgestellt werden, wo der Snowboarder auch wirklich reinrutschen kann. Bestimme den x-Wert, des linken Endes des Zauns.

Lösung einblenden

Wir suchen also nach dem Wendepunkt:

f(x)= x 3 -1,5 x 2 +2,025

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= 3 x 2 -3x


f''(x)= 6x -3


Die notwendige Bedingung für einen Wendepunkt ist f''(x)=0.

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

6x -3 = 0 | +3
6x = 3 |:6
x = 1 2 = 0.5

Die Lösung x= 1 2 ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.


Jetzt müssen wir noch die Tangente im Wendepunkt W( 1 2 | 7,1 4 ) aufstellen:

Zuerst braucht man die Ableitung von f(x)= x 3 -1,5 x 2 +2,025 ,
also

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

= 3 x 2 -3x

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

mt = f'( 1 2 )= 3 ( 1 2 ) 2 -3( 1 2 )

= 3( 1 4 ) - 3 2

= 3 4 - 3 2

= 3 4 - 6 4

= - 3 4

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= - 3 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( 1 2 )= ( 1 2 ) 3 -1,5 ( 1 2 ) 2 +2,025 = 1 8 -1,5( 1 4 ) +2,025 = 1 8 - 1,5 4 +2,025 = 1 8 - 3 8 + 81 40 = 5 40 - 15 40 + 81 40 = 71 40 ≈ 1.78

Wir erhalten so also den Punkt B( 1 2 | 71 40 ) als Berührpunkt.

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

71 40 = - 3 4 1 2 + c

71 40 = - 3 8 + c | + 3 8

86 40 = c

also c= 86 40 ≈ 2.15

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= - 3 4 ⋅x + 86 40 oder y=-0.75x +2.15

Jetzt müssen wir ja noch die Tangente mit der anderen Gerade y = 0 () schneiden, um den gesuchten x-Wert zu erhalten:

- 3 4 x +2,15 = 0 |⋅ 4
4( - 3 4 x +2,15 ) = 0
-3x +8,6 = 0 | -8,6
-3x = -8,6 |:(-3 )
x = 2,8667

Der gesuchte x-Wert () ist somit x ≈ 2.867.