Tangente und Normale
Nach dieser Lektion kannst du
die Gleichung der Tangente an einer Stelle aus Punkt und Steigung aufstellen und erklären, woher jedes Stück kommt
begründen, warum zwei Geraden genau dann senkrecht aufeinander stehen, wenn das Produkt ihrer Steigungen ist
die Normale an einer Stelle aufstellen, auch im Sonderfall einer waagerechten Tangente
Tangenten mit vorgegebener Steigung und Tangenten durch einen Punkt außerhalb des Graphen bestimmen
den Steigungswinkel einer Tangente berechnen
Was passiert, wenn man loslässt. Ein Auto fährt durch eine Kurve. Auf einer Eisplatte verliert es plötzlich jede Haftung: Ab diesem Moment wirkt keine Kraft mehr, die es auf der Kurve hält, und es rutscht geradeaus weiter. In welche Richtung? Genau in die Richtung, in die es sich in diesem Augenblick bewegt hat. Dasselbe passiert mit einem Stein, den man an einer Schnur im Kreis schleudert und dann loslässt, oder mit den Funken, die von einer Schleifscheibe fliegen.
Diese Richtung ist die Tangente: die Gerade, die sich in einem Punkt so eng an die Kurve anschmiegt, dass sie dort dieselbe Richtung hat. In der Lektion über die Ableitung haben wir gesehen, dass ihre Steigung ist. Jetzt machen wir aus dieser Steigung eine vollständige Geradengleichung, mit der man rechnen kann.
Und senkrecht dazu. Oft braucht man nicht die Richtung entlang der Kurve, sondern die Richtung quer dazu. Ein Lichtstrahl, der auf einen gekrümmten Spiegel fällt, wird so reflektiert, dass Einfallswinkel und Ausfallswinkel gleich sind, gemessen zum Lot, also zu der Geraden, die im Auftreffpunkt senkrecht auf dem Spiegel steht. Wer den kürzesten Weg von einem Punkt zu einer Kurve sucht, landet ebenfalls bei einer Geraden, die die Kurve senkrecht trifft. Diese Senkrechte zur Tangente heißt Normale (von lateinisch *norma*, Winkelmaß).
An den Graphen von wird bei die Tangente gelegt. Der Berührpunkt ist . Wo schneidet diese Tangente die -Achse?
Probier es aus
Die Tangentengleichung herleiten
Die Tangentengleichung herleiten
Eine Gerade ist festgelegt, wenn man einen ihrer Punkte und ihre Steigung kennt. Für die Tangente an der Stelle kennen wir beides.
Der Punkt: Die Tangente berührt den Graphen in , also liegt auf dem Graphen.
Tangente
Sei an der Stelle differenzierbar. Die Gerade
heißt Tangente an den Graphen von im Punkt . heißt Berührpunkt, Berührstelle.
Die Tangente hat mit dem Graphen in zwei Dinge gemeinsam: den Funktionswert, , und die Steigung, . Genau diese beiden Bedingungen legen sie fest.
Tangente an bei
Tangente an bei
Drei Zahlen werden gebraucht: , und .
- Funktionswert: , also .
- Ableitung: , also .
- Einsetzen: .
Probe: , der Punkt stimmt. Die Steigung von ist . Ob man am Ende ausmultipliziert, ist Geschmackssache. Die Form zeigt den Berührpunkt direkt, die Form den -Achsenabschnitt.
Stelle die Tangente an an der Stelle auf und vereinfache sie zu .
Die Tangente berührt den Graphen nur in einem Punkt
Die Tangente berührt den Graphen nur in einem Punkt
Man denkt, eine Tangente habe mit dem Graphen genau einen gemeinsamen Punkt, und eine Gerade mit zwei gemeinsamen Punkten könne keine Tangente sein.
Beim Kreis stimmt das, bei anderen Kurven nicht. Die Tangente an bei schneidet den Graphen noch einmal: hat die Lösungen und . Es kommt nur darauf an, dass die Gerade im Berührpunkt dieselbe Steigung wie der Graph hat. Umgekehrt hat die Gerade mit der Parabel nur einen Punkt gemeinsam und ist trotzdem keine Tangente.
Von der Tangente zur Normalen. Die Normale geht ebenfalls durch , steht aber senkrecht auf der Tangente. Um ihre Gleichung aufzustellen, fehlt nur ihre Steigung. Wir brauchen also eine Antwort auf eine Frage, die mit Analysis zunächst nichts zu tun hat: Wenn eine Gerade die Steigung hat, welche Steigung hat eine Gerade, die senkrecht auf ihr steht?
Im Versuch oben hast du die Antwort vielleicht schon gesehen: Steigt die Tangente mit , fällt die Normale mit . Steigt sie mit , fällt die Normale mit . Das Produkt ist jedes Mal .
Senkrechte Geraden
Zwei Geraden mit den Steigungen und stehen genau dann senkrecht aufeinander, wenn
Normale
Die Normale an den Graphen von im Punkt ist die Gerade durch , die senkrecht auf der Tangente steht. Ist , dann ist
Ist , dann ist die Tangente waagerecht und die Normale die senkrechte Gerade . Sie ist keine Funktion von und hat keine Steigung.
Normale an bei
Normale an bei
- Punkt: , also .
- Tangentensteigung: , also .
- Normalensteigung: .
- Einsetzen: .
Die Tangente an derselben Stelle ist . Probe: , und beide Geraden gehen durch .
Wie lautet die Steigung der Normalen an bei ?
Nur das Vorzeichen umdrehen
Nur das Vorzeichen umdrehen
Man nimmt als Normalensteigung , bei also .
Eine Gerade mit Steigung ist nur an der -Achse gespiegelt, nicht um gedreht. Senkrecht heißt negativer Kehrwert: . Probe mit dem Produkt: , aber .
Die Aufgabe umdrehen. Bisher war der Berührpunkt gegeben und die Tangente gesucht. In vielen Aufgaben ist es umgekehrt: Man kennt eine Eigenschaft der Tangente, etwa ihre Steigung oder einen Punkt, durch den sie gehen soll, und sucht die Stelle, an der sie den Graphen berührt. Der Trick ist in beiden Fällen derselbe: Man schreibt die Berührstelle als Unbekannte und übersetzt die Bedingung in eine Gleichung für .
Tangente mit vorgegebener Steigung
Tangente mit vorgegebener Steigung
An den Graphen von sollen alle Tangenten gelegt werden, die parallel zur Geraden verlaufen.
Parallel heißt: gleiche Steigung. Gesucht sind also die Stellen mit :
Tangente durch einen Punkt außerhalb des Graphen
Tangente durch einen Punkt außerhalb des Graphen
Vom Punkt , der unterhalb der Parabel liegt, sollen Tangenten an die Parabel gelegt werden. Man weiß nicht, wo sie berühren. Also nennt man die Berührstelle .
Tangente an der unbekannten Stelle , mit und :
Probier es aus
Wo die Tangenten einer Parabel die -Achse treffen
Die Tangente an (mit ) an der Stelle schneidet die -Achse im Punkt .
Den Punkt nicht auf den Graphen setzen
Den Punkt nicht auf den Graphen setzen
Gegeben ist nur die Stelle . Man setzt in die Tangentengleichung ein, aber für den Funktionswert einfach oder .
Der Berührpunkt liegt auf dem Graphen. Seine -Koordinate ist und muss ausgerechnet werden. Gute Gewohnheit: Vor der Gleichung die drei Zahlen , und hinschreiben.
In statt in einsetzen
In statt in einsetzen
Man schreibt und erhält bei , die „Tangente“ .
Die Steigung einer Geraden ist eine Zahl, kein Term in . Wer stehen lässt, bekommt eine Parabel statt einer Geraden. Erst in einsetzen, dann die Gleichung aufstellen: .
Zusammenfassung
Die Tangente an der Stelle geht durch und hat die Steigung : .
Zwei Geraden stehen senkrecht aufeinander, wenn ist. Bewiesen durch Drehen des Steigungsdreiecks um .
Die Normale geht durch denselben Punkt und hat die Steigung . Ist , ist sie die senkrechte Gerade .
Tangente mit vorgegebener Steigung : die Gleichung lösen.
Tangente durch einen Punkt außerhalb: die Tangente an der unbekannten Stelle aufstellen, einsetzen, nach auflösen.
Steigungswinkel: .
Eine Tangente kann den Graphen an anderer Stelle noch einmal schneiden. Entscheidend ist nur die gemeinsame Steigung im Berührpunkt.
Übungen
Stelle die Tangente an an der Stelle auf. Schreib sie in der Form .
Die Normale an im Punkt schneidet die -Achse. Bei welchem -Wert?
Unter welchem Winkel (in Grad) schneidet die Tangente an bei die -Achse?
In welchem Punkt des Graphen von ist die Tangente parallel zur Geraden ?
Die Tangente an bei schneidet den Graphen an einer zweiten Stelle. An welcher?
Die Tangente an im Punkt bildet mit den beiden Koordinatenachsen ein Dreieck. Wie groß ist sein Flächeninhalt?
Vom Punkt mit werden die beiden Tangenten an die Parabel gelegt. Bestimme ihre Gleichungen in Abhängigkeit von . Für welches stehen die beiden Tangenten senkrecht aufeinander?