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Hier ein Beispiel:


Gegeben sind die Funktion f mit f(x) = -2x² und die Steigung m = 3 einer Tangente an diese Parabel. Bestimme den Punkt P, in dem die Tangente die Parabel berührt. Bei dem ganzen soll NICHT die 1. Ableitung genutzt werden.

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Wenn Du die erste Ableitung nicht benutzen darfst, dann braucht es bspw Wissen darüber, dass ein Berührpunkt einer doppelten Schnittstelle entspricht. Du kannst also f(x) und t(x) gleichsetzen und schauen, wann die Schnittstelle obiger Bedingung entspricht:


f(x) = -2x^2

t(x) = 3x + c

-2x^2 = 3x+c

2x^2+3x+c = 0   |:2

x^2 + 1,5x + 0,5c = 0   |pq-Formel

x_{1,2} = -3/4 ± √(9/16 - 1/2*c)

Das ist erfüllt für c = 9/8 (also dann spielt das +- keine Rolle und wir haben x_{1} = x_{2} = -3/4. Damit haben wir ja sogar direkt auch P(-3/4|f(-3/4)) = P(-3/4|-9/8).


Alles klar?


Grüße

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Ich verstehe nicht ganz wie nach diesem Schritt:

-2x2 = 3x+c

2x+3x+c = 0  |:2

einfach das quadrierte X verschwindet. Normalerweise müsste dafür doch eine Wurzel gezogen werden?


LG

Nur ein Tippfehler. Da hab ich das Quadrat verloren. Habe ich direkt ergänzt :).

Entschuldigung dass ich so spät noch antworte, aber wie kommt man auf die Y-Koordinate des Punktes P?

Es würde doch eigentlich reichen die X-Koordinate in die Funktion einzusetzen, oder?

Genau so ist es. Du kannst sie entweder in f(x) oder t(x) einsetzen.

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Den Trick mit der Determinante hast Du ja bereits hinreichend erklärt bekommen. Man kann sich dem Problem aber auch ganz anders annehmen. Dazu muss man wissen, dass eine Parabel der Ort aller Punkte ist, die von einem Brennpunkt \(F\) und einer Geraden - der sogenannten Leitline - gleich weit entfernt ist. Im Bild habe ich Leitlinie und Parabel blau eingezeichnet.

Untitled3.png

Bei einer gegebenen Parabel erhält man Brennpunkt und Leitlinie aus einem Quadrat (grün), dass durch folgende vier Punkte gebildet, wird. Dem Brennpunkt \(F\), einem Schnittpunkt \(F_p\) der Parallelen zur Leitlinie durch den Brennpunkt mit der Parabel und der beiden Projektionen der Punkte auf die Leitlinie. Bennene ich die X-Koordinate von \(F_p\) mit \(x_f\), dann muss hier gelten: $$f(x_f)=-2x_f^2 = \frac12 x_f \quad \Rightarrow x_f = - \frac14 $$ da der Abstand von \(F_p\) zu \(F\) lt. Definition (s.o.) genauso groß ist wie der Abstand zur Leitlinie und der Scheitelpunkt \(O\) der Parabel muss aus dem selben Grund genau in der Mitte zwischen \(F\) und der Leitlinie liegen. Damit liegt der Brennpunkt \(F\) und die Leitlinie \(l\) fest: $$F = \begin{pmatrix} 0 \\ x_f/2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ -1/8 \end{pmatrix} \\ l: \space y= \frac{-x_f}{2} = \frac18$$ Nun muss man noch wissen, dass man einen Punkt \(P\) der Parabel konstruieren kann, indem man auf \(l\) einen Punkt \(X\) wählt und das Lot (schwarz) in \(X\) zu \(l\) mit der Mittelsenkrechte von \(XF\) (rot) in \(P\) schneidet. Die Mittelsenkrechte (rot Strich-Punkt) ist gleichzeitig die Tangente der Parabel in \(P\).

Wenn diese Tangente die Steigung \(m=3\) hat, dann muss auch das Verhältnis $$|F'X| \div |F'F| = 3 \div 1 $$ sein. Und da \(|F'F| = x_f = 1/4\) (s.o.), ist $$|F'X| = -x_p = 3 \cdot \frac14 = \frac34 \quad \Rightarrow P = \begin{pmatrix} -3/4\\ -9/8 \end{pmatrix}$$

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Schnittpunkt

s(t): -2x^2 = 3 x + t  ===> 2 x^2 +3x +t = 0

berechnen. Tangente hat einen einzigen Schnittpunkt bei Diskriminante s(t)=0

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f(x) = -2x^2

t(x) = 3x + c

Schnittpunkt f(x) = t(x)

-2x^2 = 3x + c

2x^2 = -3x - c

2x^2 + 3x + c = 0

Es gibt nur eine Lösung wenn die Diskriminante (b^2 - 4ac) = 0 ist

3^2 - 4*2*c = 0 --> c = 9/8 = 1.125

Wir berechnen die Lösung

2x^2 + 3x + 1.125 = 0 --> x = - 3/4 = -0.75

t(-0.75) = 3*(-0.75) + 1.125 = - 9/8 = -1.125

Der Punkt ist also P(-0.75 | -1.125).

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Die Tangentenschar mit der Steigung 3 hat die Gleichung t(x)=3x+b

Setze f(x)=t(x) und entscheide mit Hilfe der Diskriminante (= Ausdruck unter der Wurzel bei Anwendung der pq-Formel), für welches b es genau einen Schnittpunkt gibt. Das ist bei x=-3/4 der Fall. P(-3/4|f(-3/4)).

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