Die Leitfrage und die Skizze
Die Normale geht durch denselben Punkt wie die Tangente, steht dort aber senkrecht auf ihr.
- Normale:Gerade durch \(P\), die im rechten Winkel zur Tangente verläuft.
- Bezeichnung:die Normale heißt durchgehend \(h(x)\), die Tangente \(g(x)\).
- Beispiel:\(f(x)=x^{2}\), \(P(2 \mid 4)\), Tangente \(g(x)=4x-4\).
- Scheitel:ist die Tangente waagerecht, ist die Normale senkrecht und hat keine Steigung.
Verschieb den Punkt über die Parabel. Beobachte vor allem das Produkt der beiden Steigungen.
Zwei Geraden durch einen Punkt
Zieh den roten Punkt mit der Maus über die Parabel oder benutze den Schieberegler. Mit den Pfeiltasten bewegst du ihn in kleinen Schritten, mit der Eingabetaste springst du auf die Stelle \(2\) aus dem Beispiel.
Halte fest: Das Produkt der Steigungen ist immer \(-1\) — außer im Scheitel.
Der negative Kehrwert
Aus der Tangentensteigung \(m_t=f'(x_0)\) erhältst du die Normalensteigung in zwei Schritten.
- Kehrwert:aus einer steilen Geraden wird eine flache und umgekehrt.
- Minuszeichen:aus steigend wird fallend und umgekehrt.
- Zusammen:beides ergibt genau den rechten Winkel, also \(m\cdot m_t=-1\).
- Beispiel:\(m_t=1{,}5 \Rightarrow m=-\tfrac{2}{3}\); \(m_t=-1{,}25 \Rightarrow m=0{,}8\).
Steigung der Normalen: \(m=-\dfrac{1}{m_t}=-\dfrac{1}{f'(x_0)}\)
Stell die Tangentensteigung ein. Die Normalenrichtung wird jedes Mal mitberechnet.
Der negative Kehrwert
Verschieb den Regler oder benutze die Pfeiltasten auf der Grafik. Die beiden Geraden laufen der Übersicht halber durch den Ursprung; auf die Richtung kommt es an, nicht auf die Lage.
Halte fest: Je steiler die Tangente, desto flacher die Normale.
Der Rechenweg am Musterbeispiel
Der Rechenweg ist derselbe wie bei der Tangente — mit einem zusätzlichen Schritt für den negativen Kehrwert.
- Schritt 1:Ansatz \(h(x)=mx+b\).
- Schritt 2:\(m_t=f'(2)=4\), also \(m=-\tfrac{1}{4}\).
- Schritt 3:Punkt einsetzen: \(4=-\tfrac{1}{4}\cdot 2+b\), also \(b=4{,}5\).
- Schritt 4:Ergebnis: Also \(h(x)=-\tfrac{1}{4}x+4{,}5\). Probe: \(h(2)=4\).
Deck den Rechenweg Zeile für Zeile auf und vergleiche mit der Tangentengleichung.
Der Rechenweg Zeile für Zeile
Mit den Schaltflächen oder den Pfeiltasten deckst du die nächste Zeile auf; die Eingabetaste setzt alles zurück.
Halte fest: Gegenüber der Tangente kommt genau eine Zeile hinzu: \(m=-\tfrac{1}{m_t}\).
Sachaufgabe: die Verankerungen der Brücke
Ein Brückenbogen hat die Form \(f(x)=-\tfrac{1}{32}x^{2}\). Die Verankerungen treffen orthogonal auf den Bogen — sie liegen also auf Normalen.
- Ableitung:\(f'(x)=-\tfrac{1}{16}x\).
- Links \(P_1(-24 \mid -18)\):\(f'(-24)=1{,}5\), \(m=-\tfrac{2}{3}\), \(b=-34\): \(y=-\tfrac{2}{3}x-34\).
- Rechts \(P_2(20 \mid -12{,}5)\):\(f'(20)=-1{,}25\), \(m=0{,}8\), \(b=-28{,}5\): \(y=0{,}8x-28{,}5\).
- Vergleich:Tangente mit \(m=f'(x_0)\), Normale mit \(m=-\tfrac{1}{f'(x_0)}\) — eingesetzt wird derselbe Punkt.
Allgemeine Hinweise
Beide Schritte nötig
Nur Kehrwert oder nur Minuszeichen reicht nicht. Aus \(m_t=4\) wird \(-\tfrac{1}{4}\), nicht \(\tfrac{1}{4}\) oder \(-4\).
Probe mit dem Produkt
Multipliziere beide Steigungen. Kommt \(-1\) heraus, stehen die Geraden senkrecht.
Waagerechte Tangente
Ist \(f'(x_0)=0\), gibt es keinen Kehrwert. Die Normale ist dann die senkrechte Gerade \(x=x_0\).
