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Mathematikaktualisiert am

Tangente an einer Funktionenschar

von Mathe-Abitur 120/120 · DPG-Physik-Abiturpreis

Keine KI, von einem echten Menschen geschrieben :)

Aufgabenstellung

Gegeben ist die Funktionenschar fkf_k mit der Gleichung

fk(x)=ek⋅xfu¨r k>0.f_k(x) = e^{k \cdot x} \quad \text{für } k > 0.

Vom Koordinatenursprung O(0 ∣ 0)O(0\,|\,0) wird eine Tangente an den Graphen von fkf_k gelegt. Der Graph von fkf_k, diese Tangente und die yy-Achse schließen eine Fläche vollständig ein.

Bestimmen Sie den exakten Wert für den Parameter kk, sodass der Flächeninhalt dieser eingeschlossenen Fläche genau 11 Flächeneinheit beträgt.

Formel aufstellen

Als Erstes hilft es immer, aus dem Text eine mathematische Formel zu entwerfen. Denn gerade so sieht die Aufgabe noch sehr verwirrend aus, und die meisten würden einfach raten, was sie als Nächstes machen müssen. Wir wollen aber nicht raten, wir wollen eine logische, strukturierte Rechnung aufstellen.

Wir bezeichnen die Tangente am Berührungspunkt x=bkx = b_k als tk(x)t_k(x). Wenn wir den Text als eine einzige Gleichung schreiben würden, würde sie so aussehen:

∫0bk(fk(x)−tk(x)) dx=1\int_0^{b_k} \big(f_k(x) - t_k(x)\big)\, dx = 1

Denn wir wollen ja die Fläche zwischen dem Graphen und seiner Tangente haben, von x=0x = 0 (der yy-Achse) bis dorthin, wo sie sich berühren, also x=bkx = b_k.

Berührungspunkt finden

Wie finden wir den Berührungspunkt? Wir wissen zwei Dinge:

  1. Die Tangente muss die Form tk(x)=m⋅xt_k(x) = m \cdot x haben, wobei m=fk′(bk)m = f_k'(b_k).
  2. Die Funktion und die Tangente haben genau einen Berührungspunkt bei B (bk∣fk(bk))B\,(b_k \mid f_k(b_k)).

Wie finden wir das xx, bei dem sich fk(x)f_k(x) und tk(x)t_k(x) berühren? Wir setzen die beiden Gleichungen gleich:

fk(bk)=fk′(bk)⋅bkf_k(b_k) = f_k'(b_k) \cdot b_k

ekbk=bk⋅k⋅ekbke^{k b_k} = b_k \cdot k \cdot e^{k b_k}

Umgestellt ergibt das:

bk=1kb_k = \frac{1}{k}

Unser Berührungspunkt BB liegt also für jede Funktion unserer Funktionenschar bei B(1k | fk ⁣(1k))B\left(\dfrac{1}{k} \,\middle|\, f_k\!\left(\dfrac{1}{k}\right)\right).

Informationen zusammenführen

Wir wissen also:

fk(x)=ekxf_k(x) = e^{kx}

tk(x)=fk′ ⁣(1k)⋅x=k⋅e⋅xt_k(x) = f_k'\!\left(\frac{1}{k}\right) \cdot x = k \cdot e \cdot x

B(1k | fk ⁣(1k))B\left(\frac{1}{k} \,\middle|\, f_k\!\left(\frac{1}{k}\right)\right)

Fläche unter der Tangente (Dreiecksfläche): Diese können wir ganz einfach berechnen mit

12⋅1k⋅fk ⁣(1k)=12⋅1k⋅e=e2k\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{k} \cdot f_k\!\left(\frac{1}{k}\right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{k} \cdot e = \frac{e}{2k}

Fläche unter der Funktion fk(x)f_k(x): Diese können wir berechnen mit

∫01/kekx dx=[1kekx]01/k=ek−1k\int_0^{1/k} e^{kx}\, dx = \left[\frac{1}{k} e^{kx}\right]_0^{1/k} = \frac{e}{k} - \frac{1}{k}

Damit lautet unsere finale Gleichung:

ek−1k−e2k=1\frac{e}{k} - \frac{1}{k} - \frac{e}{2k} = 1

Wir erweitern den ersten und zweiten Bruch mit 22:

2e2k−22k−e2k=1\frac{2e}{2k} - \frac{2}{2k} - \frac{e}{2k} = 1

e−22k=1\frac{e - 2}{2k} = 1

k=e−22=e2−1k = \frac{e-2}{2} = \frac{e}{2} - 1

Und damit haben wir unsere Lösung.

Zusammenfassung

Lasst euch von scheinbar simplen und kurzen Aufgabenstellungen nicht täuschen. Sinnvoll ist es, vorher immer aus dem Text eine Formel herzuleiten, mit der man wirklich rechnen kann. Auch hier hilft nur üben, üben, üben. Irgendwann weiß euer Kopf schon intuitiv, was zu tun ist und worauf ihr beim Umstellen von Gleichungen achten müsst.

Diese Aufgabe wurde mit dem KI-Tutor von NexoraFlow erstellt

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