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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 8x + e 2x und g(x)= 2 e 5x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

Um die Schnittpunkte zu berechnen, müssen wir einfach die beiden Funktionsterme gleichsetzen:

e 8x + e 2x = 2 e 5x | -2 e 5x
e 8x -2 e 5x + e 2x = 0
( e 6x -2 e 3x +1 ) · e 2x = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

e 6x -2 e 3x +1 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -2u +1 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 1 · 1 21

u1,2 = +2 ± 4 -4 2

u1,2 = +2 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

u = 2 2 = 1

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( -1 ) 2 - 1 = 1 - 1 = 0

Da die Diskriminante D = 0 ist, hat die quadratische Gleichung nur eine Lösunng.

x = 1 ± 0 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x2 = 0 ≈ 0

2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

0 ist 2-fache Lösung!

Damit haben wir die Schnittstellen. Jetzt müssen wir die x-Werte nur noch in einen der beiden Funktionsterme einsetzen:

x1 = 0: f(0)= 2 e 50 = 2 Somit gilt: S1(0|2)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x - 3 2 e 2x parallel zur Geraden y = 10x +7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 10x +7 gilt m = 10

Die Steigungen der Tangenten an f können wir mit der Ableitungsfunktion f' berechnen.

f(x)= 1 4 e 4x - 3 2 e 2x

f'(x)= e 4x -3 e 2x

Also muss gelten:

e 4x -3 e 2x = 10 | -10
e 4x -3 e 2x -10 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -3u -10 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( -10 ) 21

u1,2 = +3 ± 9 +40 2

u1,2 = +3 ± 49 2

u1 = 3 + 49 2 = 3 +7 2 = 10 2 = 5

u2 = 3 - 49 2 = 3 -7 2 = -4 2 = -2

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( - 3 2 ) 2 - ( -10 ) = 9 4 + 10 = 9 4 + 40 4 = 49 4

x1,2 = 3 2 ± 49 4

x1 = 3 2 - 7 2 = - 4 2 = -2

x2 = 3 2 + 7 2 = 10 2 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 5

e 2x = 5 |ln(⋅)
2x = ln( 5 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 5 ) ≈ 0.8047

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 5 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 10 und sind somit parallel zur Geraden y = 10x +7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 8x -6 e 5x = -9 e 2x

Lösung einblenden
e 8x -6 e 5x = -9 e 2x | +9 e 2x
e 8x -6 e 5x +9 e 2x = 0
( e 6x -6 e 3x +9 ) · e 2x = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

e 6x -6 e 3x +9 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -6u +9 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · 9 21

u1,2 = +6 ± 36 -36 2

u1,2 = +6 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

u = 6 2 = 3

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( -3 ) 2 - 9 = 9 - 9 = 0

Da die Diskriminante D = 0 ist, hat die quadratische Gleichung nur eine Lösunng.

x = 3 ± 0 = 3

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 3

e 3x = 3 |ln(⋅)
3x = ln( 3 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 3 ) ≈ 0.3662

u2: e 3x = 3

e 3x = 3 |ln(⋅)
3x = ln( 3 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 3 ) ≈ 0.3662

2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 3 ) }

1 3 ln( 3 ) ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

12x x -2 + 6x x -1 + 63x -3x +6 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; 2 }

6x x -1 + 12x x -2 + 63x -3x +6 = 0
6x x -1 + 12x x -2 + 63x 3( -x +2 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

6x x -1 + 12x x -2 + 63x 3( -x +2 ) = 0 |⋅( x -1 )
6x x -1 · ( x -1 ) + 12x x -2 · ( x -1 ) + 63x 3( -x +2 ) · ( x -1 ) = 0
6x + 12 x · ( x -1 ) x -2 + 21 x · ( x -1 ) -x +2 = 0
6x + 12 x 2 -12x x -2 + 21 x 2 -21x -x +2 = 0
21 x 2 -21x -x +2 + 12 x 2 -12x x -2 +6x = 0
12 x 2 -12x x -2 + 21 x 2 -21x -x +2 +6x = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

12 x 2 -12x x -2 + 21 x 2 -21x -x +2 +6x = 0 |⋅( x -2 )
12 x 2 -12x x -2 · ( x -2 ) + 21 x 2 -21x -x +2 · ( x -2 ) + 6x · ( x -2 ) = 0
12 x 2 -12x + ( 21 x 2 -21x ) · ( x -2 ) -x +2 +6 x · ( x -2 ) = 0
12 x 2 -12x -21 x · ( x -1 )+6 x · ( x -2 ) = 0
12 x 2 -12x + ( -21 x 2 +21x ) + ( 6 x 2 -12x ) = 0
-3 x 2 -3x = 0
-3 x 2 -3x = 0
-3 x · ( x +1 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x2 = -1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 0}

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 +14 x 3 +23 x 2 -182x +144 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 +14 x 3 +23 x 2 -182x +144 = 0 zu bestimmen, ist mit Polynomdivision.
Das funktioniert aber nur, wenn wir eine ganzzahlige Lösung durch Ausprobieren finden.
Dazu testen wir alle Teiler (mit beiden Vorzeichen) des Absolutglieds 144 .

1 ist eine Lösung, denn 1 4 +14 1 3 +23 1 2 -1821 +144 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x-1) durch.

( x 4 +14 x 3 +23 x 2 -182x +144 ) : (x-1) = x 3 +15 x 2 +38x -144
-( x 4 - x 3 )
15 x 3 +23 x 2
-( 15 x 3 -15 x 2 )
38 x 2 -182x
-( 38 x 2 -38x )
-144x +144
-( -144x +144 )
0

es gilt also:

x 4 +14 x 3 +23 x 2 -182x +144 = ( x 3 +15 x 2 +38x -144 ) · ( x -1 )

( x 3 +15 x 2 +38x -144 ) · ( x -1 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +15 x 2 +38x -144 = 0 zu bestimmen, ist mit Polynomdivision.
Das funktioniert aber nur, wenn wir eine ganzzahlige Lösung durch Ausprobieren finden.
Dazu testen wir alle Teiler (mit beiden Vorzeichen) des Absolutglieds -144 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 +15 2 2 +382 -144 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x-2) durch.

( x 3 +15 x 2 +38x -144 ) : (x-2) = x 2 +17x +72
-( x 3 -2 x 2 )
17 x 2 +38x
-( 17 x 2 -34x )
72x -144
-( 72x -144 )
0

es gilt also:

x 3 +15 x 2 +38x -144 = ( x 2 +17x +72 ) · ( x -2 )

( x 2 +17x +72 ) · ( x -2 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x 2 +17x +72 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

x1,2 = -17 ± 17 2 -4 · 1 · 72 21

x1,2 = -17 ± 289 -288 2

x1,2 = -17 ± 1 2

x1 = -17 + 1 2 = -17 +1 2 = -16 2 = -8

x2 = -17 - 1 2 = -17 -1 2 = -18 2 = -9

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( 17 2 ) 2 - 72 = 289 4 - 72 = 289 4 - 288 4 = 1 4

x1,2 = - 17 2 ± 1 4

x1 = - 17 2 - 1 2 = - 18 2 = -9

x2 = - 17 2 + 1 2 = - 16 2 = -8


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit -8

Polynomdivision mit -9


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x4 = 1

L={ -9 ; -8 ; 1 ; 2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | x +1 | -9 = -4

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- 1 3 | x +1 | -9 = -4 | +9
- 1 3 | x +1 | = 5 |⋅ ( -3 )
| x +1 | = -15

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= 2 t x 2 +2 genau 2 Nullstellen?

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Wir setzen ft(x) = 0 und lösen die Gleichung einfach mal in Abhängigkeit von t:

2 t x 2 +2 = 0 | -2
2 t x 2 = -2 |:2 t
x 2 = -1 1 t | 2
x1 = - ( -1 1 t ) = - ( - 1 t )
x2 = ( -1 1 t ) = ( - 1 t )

Man erkennt schnell, dass die Wurzeln (und damit die beiden zugehörigen Lösungen) existieren, wenn t < 0 ist. Für t > 0 existieren die Wurzeln und die beiden Lösungen nicht, da etwas negatives unter der Wurzel steht.

Für t=0 ergibt sich folgende Lösung:

2 = 0 | -2
0 = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Für t < 0 gibt es also 2 Lösung(en).