Mittelstufe Standardaufgabe 10 Punkte ~20 Min. Mathematik & Logik

Tangente mit gegebener Steigung finden

Zur Lektion: Ableitungsregeln

Aufgabenstellung

Gegeben ist die Funktion f(x)=13x32x2+3x+1f(x) = \frac{1}{3}x^3 - 2x^2 + 3x + 1.

  • (a) Bestimmen Sie f(x)f'(x). (2 BE)
  • (b) An welchen Stellen hat der Graph von ff die Steigung 00? Geben Sie die zugehörigen Tangentengleichungen an. (4 BE)
  • (c) Bestimmen Sie alle Stellen, an denen die Tangente an ff parallel zur Geraden y=x5y = x - 5 verläuft. Geben Sie die Tangentengleichung an. (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Ableitung bestimmen (a)

f(x)=x24x+3f'(x) = x^2 - 4x + 3

f(x)=x24x+3\boxed{f'(x) = x^2 - 4x + 3}

Schritt 2: Stellen mit Steigung 00 (b)

f(x)=0x24x+3=0f'(x) = 0 \quad \Rightarrow \quad x^2 - 4x + 3 = 0

Quadratische Formel oder Vieta (p=4p = -4, q=3q = 3):

x1,2=4±16122=4±22x_{1{,}2} = \frac{4 \pm \sqrt{16 - 12}}{2} = \frac{4 \pm 2}{2}

x1=1,x2=3x_1 = 1, \quad x_2 = 3

Funktionswerte:

f(1)=132+3+1=732,33f(1) = \tfrac{1}{3} - 2 + 3 + 1 = \tfrac{7}{3} \approx 2{,}33

f(3)=918+9+1=1f(3) = 9 - 18 + 9 + 1 = 1

Tangentengleichungen (waagerechte Tangenten):

t1(x)=73,t2(x)=1\boxed{t_1(x) = \tfrac{7}{3}, \quad t_2(x) = 1}

Schritt 3: Stellen mit Steigung 11 (c)

Die Gerade y=x5y = x - 5 hat die Steigung m=1m = 1. Gesucht: f(x)=1f'(x) = 1.

x24x+3=1x24x+2=0x^2 - 4x + 3 = 1 \quad \Rightarrow \quad x^2 - 4x + 2 = 0

x1,2=4±1682=4±222=2±2x_{1{,}2} = \frac{4 \pm \sqrt{16 - 8}}{2} = \frac{4 \pm 2\sqrt{2}}{2} = 2 \pm \sqrt{2}

x1=220,586,x2=2+23,414x_1 = 2 - \sqrt{2} \approx 0{,}586, \quad x_2 = 2 + \sqrt{2} \approx 3{,}414

Schritt 4: Tangentengleichungen (c)

Funktionswerte mit u=22u = 2 - \sqrt{2}:

u2=642,u3=20142u^2 = 6 - 4\sqrt{2}, \quad u^3 = 20 - 14\sqrt{2}

f(u)=2014232(642)+3(22)+1=5+23f(u) = \tfrac{20 - 14\sqrt{2}}{3} - 2(6 - 4\sqrt{2}) + 3(2 - \sqrt{2}) + 1 = \tfrac{5 + \sqrt{2}}{3}

Analog für v=2+2v = 2 + \sqrt{2}:

f(v)=523f(v) = \tfrac{5 - \sqrt{2}}{3}

Tangentengleichung t(x)=1(xx0)+f(x0)t(x) = 1 \cdot (x - x_0) + f(x_0):

t1(x)=x(22)+5+23=x13+423t_1(x) = x - (2-\sqrt{2}) + \tfrac{5+\sqrt{2}}{3} = x - \tfrac{1}{3} + \tfrac{4\sqrt{2}}{3}

t2(x)=x(2+2)+523=x13423t_2(x) = x - (2+\sqrt{2}) + \tfrac{5-\sqrt{2}}{3} = x - \tfrac{1}{3} - \tfrac{4\sqrt{2}}{3}

t1(x)=x+4213,t2(x)=x42+13\boxed{t_1(x) = x + \tfrac{4\sqrt{2} - 1}{3}, \quad t_2(x) = x - \tfrac{4\sqrt{2} + 1}{3}}

Ergebnis

FrageAntwort
f(x)f'(x)x24x+3x^2 - 4x + 3
Stellen mit Steigung 00x1=1x_1 = 1, x2=3x_2 = 3
Waagerechte Tangentent1(x)=73t_1(x) = \frac{7}{3}, t2(x)=1t_2(x) = 1
Stellen mit Steigung 11x1=22x_1 = 2 - \sqrt{2}, x2=2+2x_2 = 2 + \sqrt{2}

Schlagwörter

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