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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e x -1 und g(x)= 20 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e x -1 = 20 e -x | -20 e -x
e x -20 e -x -1 = 0

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

e x -20 e -x -1 = 0 |⋅ e x
e 2x - e x -20 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -20 = 0

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

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

u1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · 1 · ( -20 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +80 2

u1,2 = +1 ± 81 2

u1 = 1 + 81 2 = 1 +9 2 = 10 2 = 5

u2 = 1 - 81 2 = 1 -9 2 = -8 2 = -4

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 ) 2 - ( -20 ) = 1 4 + 20 = 1 4 + 80 4 = 81 4

x1,2 = 1 2 ± 81 4

x1 = 1 2 - 9 2 = - 8 2 = -4

x2 = 1 2 + 9 2 = 10 2 = 5

Rücksubstitution:

u1: e x = 5

e x = 5 |ln(⋅)
x1 = ln( 5 ) ≈ 1.6094

u2: e x = -4

e x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 5 ) }

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

x1 = ln( 5 ) : f( ln( 5 ) )= 20 e -( ln( 5 ) ) = 4 Somit gilt: S1( ln( 5 ) |4)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 2 e 2x -5 e x parallel zur Geraden y = 6x +6 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x +6 gilt m = 6

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

f(x)= 1 2 e 2x -5 e x

f'(x)= e 2x -5 e x

Also muss gelten:

e 2x -5 e x = 6 | -6
e 2x -5 e x -6 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u -6 = 0

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

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

u1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

u1,2 = +5 ± 25 +24 2

u1,2 = +5 ± 49 2

u1 = 5 + 49 2 = 5 +7 2 = 12 2 = 6

u2 = 5 - 49 2 = 5 -7 2 = -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 = ( - 5 2 ) 2 - ( -6 ) = 25 4 + 6 = 25 4 + 24 4 = 49 4

x1,2 = 5 2 ± 49 4

x1 = 5 2 - 7 2 = - 2 2 = -1

x2 = 5 2 + 7 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e x = 6

e x = 6 |ln(⋅)
x1 = ln( 6 ) ≈ 1.7918

u2: e x = -1

e x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 6 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x +6 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 2x -30 = e x

Lösung einblenden
e 2x -30 = e x | - e x
e 2x - e x -30 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -30 = 0

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

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

u1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · 1 · ( -30 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +120 2

u1,2 = +1 ± 121 2

u1 = 1 + 121 2 = 1 +11 2 = 12 2 = 6

u2 = 1 - 121 2 = 1 -11 2 = -10 2 = -5

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 ) 2 - ( -30 ) = 1 4 + 30 = 1 4 + 120 4 = 121 4

x1,2 = 1 2 ± 121 4

x1 = 1 2 - 11 2 = - 10 2 = -5

x2 = 1 2 + 11 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e x = 6

e x = 6 |ln(⋅)
x1 = ln( 6 ) ≈ 1.7918

u2: e x = -5

e x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x -1 2x -2 + 3x 2x -3 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 3 2 ; 1 }

3x 2x -3 + 3x -1 2x -2 -5 = 0
3x 2x -3 + 3x -1 2( x -1 ) -5 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 2x -3 weg!

3x 2x -3 + 3x -1 2( x -1 ) -5 = 0 |⋅( 2x -3 )
3x 2x -3 · ( 2x -3 ) + 3x -1 2( x -1 ) · ( 2x -3 ) -5 · ( 2x -3 ) = 0
3x + ( 3x -1 ) ( 2x -3 ) 2( x -1 ) -10x +15 = 0
3x + 6 x 2 -11x +3 2( x -1 ) -10x +15 = 0
6 x 2 -11x +3 2( x -1 ) +3x -10x +15 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2( x -1 ) weg!

6 x 2 -11x +3 2( x -1 ) +3x -10x +15 = 0 |⋅( 2( x -1 ) )
6 x 2 -11x +3 2( x -1 ) · ( 2( x -1 ) ) + 3x · ( 2( x -1 ) ) -10x · ( 2( x -1 ) ) + 15 · ( 2( x -1 ) ) = 0
6 x 2 -11x +3 +6 x ( x -1 )-20 x ( x -1 ) +30x -30 = 0
6 x 2 -11x +3 + ( 6 x 2 -6x ) + ( -20 x 2 +20x ) +30x -30 = 0
-8 x 2 +33x -27 = 0

-8 x 2 +33x -27 = 0

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

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

x1,2 = -33 ± 33 2 -4 · ( -8 ) · ( -27 ) 2( -8 )

x1,2 = -33 ± 1089 -864 -16

x1,2 = -33 ± 225 -16

x1 = -33 + 225 -16 = -33 +15 -16 = -18 -16 = 1,125

x2 = -33 - 225 -16 = -33 -15 -16 = -48 -16 = 3

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

Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "-8 " teilen:

-8 x 2 +33x -27 = 0 |: -8

x 2 - 33 8 x + 27 8 = 0

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

D = ( - 33 16 ) 2 - ( 27 8 ) = 1089 256 - 27 8 = 1089 256 - 864 256 = 225 256

x1,2 = 33 16 ± 225 256

x1 = 33 16 - 15 16 = 18 16 = 1.125

x2 = 33 16 + 15 16 = 48 16 = 3

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 1,125 ; 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -4 x 2 + x +6 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -4 x 2 + x +6 = 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 6 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 -4 ( -1 ) 2 -1 +6 = 0.

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

( x 3 -4 x 2 + x +6 ) : (x+1) = x 2 -5x +6
-( x 3 + x 2 )
-5 x 2 + x
-( -5 x 2 -5x )
6x +6
-( 6x +6 )
0

es gilt also:

x 3 -4 x 2 + x +6 = ( x 2 -5x +6 ) · ( x +1 )

( x 2 -5x +6 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -5x +6 = 0

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

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

x1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · 6 21

x1,2 = +5 ± 25 -24 2

x1,2 = +5 ± 1 2

x1 = 5 + 1 2 = 5 +1 2 = 6 2 = 3

x2 = 5 - 1 2 = 5 -1 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 = ( - 5 2 ) 2 - 6 = 25 4 - 6 = 25 4 - 24 4 = 1 4

x1,2 = 5 2 ± 1 4

x1 = 5 2 - 1 2 = 4 2 = 2

x2 = 5 2 + 1 2 = 6 2 = 3


2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x3 = -1

Polynomdivision mit 2

Polynomdivision mit 3

L={ -1 ; 2 ; 3 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 2 | -2x +8 | -1 = 5

Lösung einblenden
1 2 | -2x +8 | -1 = 5 | +1
1 2 | -2x +8 | = 6 |⋅2
| -2x +8 | = 12

1. Fall: -2x +8 ≥ 0:

-2x +8 = 12 | -8
-2x = 4 |:(-2 )
x1 = -2

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +8 ≥ 0) genügt:

-2( -2 ) +8 = 12 ≥ 0

Die Lösung -2 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x +8 < 0:

-( -2x +8 ) = 12
2x -8 = 12 | +8
2x = 20 |:2
x2 = 10

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +8 < 0) genügt:

-210 +8 = -12 < 0

Die Lösung 10 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -2 ; 10 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= -3 t x 4 -2 x 2 genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

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

-3 t x 4 -2 x 2 = 0
- x 2 ( 3 t x 2 +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

3 t x 2 +2 = 0 | -2
3 t x 2 = -2 |:3 t
x 2 = - 2 3 1 t | 2
x2 = - ( - 2 3 1 t ) = - ( - 2 3 t )
x3 = ( - 2 3 1 t ) = ( - 2 3 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 x 2 = 0 |: ( -2 )
x 2 = 0 | 2
x = 0

Für t ≥ 0 gibt es also 1 Lösung(en).