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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 5x -12 e 2x und g(x)= -36 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 5x -12 e 2x = -36 e -x | +36 e -x
e 5x -12 e 2x +36 e -x = 0
( e 6x -12 e 3x +36 ) e -x = 0

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

1. Fall:

e 6x -12 e 3x +36 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -12u +36 = 0

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

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

u1,2 = +12 ± ( -12 ) 2 -4 · 1 · 36 21

u1,2 = +12 ± 144 -144 2

u1,2 = +12 ± 0 2

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

u = 12 2 = 6

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 = ( -6 ) 2 - 36 = 36 - 36 = 0

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

x = 6 ± 0 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 6

e 3x = 6 |ln(⋅)
3x = ln( 6 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 6 ) ≈ 0.5973

u2: e 3x = 6

e 3x = 6 |ln(⋅)
3x = ln( 6 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 6 ) ≈ 0.5973

2. Fall:

e -x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 6 ) }

1 3 ln( 6 ) ist 2-fache Lösung!

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

x1 = 1 3 ln( 6 ) : f( 1 3 ln( 6 ) )= -36 e -( 1 3 ln( 6 ) ) = -19.812 Somit gilt: S1( 1 3 ln( 6 ) |-19.812)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x - 1 3 e 3x parallel zur Geraden y = 2x -5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 2x -5 gilt m = 2

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

f(x)= 1 6 e 6x - 1 3 e 3x

f'(x)= e 6x - e 3x

Also muss gelten:

e 6x - e 3x = 2 | -2
e 6x - e 3x -2 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -2 = 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 · ( -2 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +8 2

u1,2 = +1 ± 9 2

u1 = 1 + 9 2 = 1 +3 2 = 4 2 = 2

u2 = 1 - 9 2 = 1 -3 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 = ( - 1 2 ) 2 - ( -2 ) = 1 4 + 2 = 1 4 + 8 4 = 9 4

x1,2 = 1 2 ± 9 4

x1 = 1 2 - 3 2 = - 2 2 = -1

x2 = 1 2 + 3 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 2

e 3x = 2 |ln(⋅)
3x = ln( 2 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 2 ) ≈ 0.231

u2: e 3x = -1

e 3x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 2 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 2 und sind somit parallel zur Geraden y = 2x -5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 2x -2 e x = 3

Lösung einblenden
e 2x -2 e x = 3 | -3
e 2x -2 e x -3 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -2u -3 = 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 · ( -3 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +12 2

u1,2 = +2 ± 16 2

u1 = 2 + 16 2 = 2 +4 2 = 6 2 = 3

u2 = 2 - 16 2 = 2 -4 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 = ( -1 ) 2 - ( -3 ) = 1+ 3 = 4

x1,2 = 1 ± 4

x1 = 1 - 2 = -1

x2 = 1 + 2 = 3

Rücksubstitution:

u1: e x = 3

e x = 3 |ln(⋅)
x1 = ln( 3 ) ≈ 1.0986

u2: e x = -1

e x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 3 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4x 3x +1 + 16x 2x -2 -6 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; - 1 3 }

16x 2x -2 + 4x 3x +1 -6 = 0
16x 2( x -1 ) + 4x 3x +1 -6 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

16x 2( x -1 ) + 4x 3x +1 -6 = 0 |⋅( x -1 )
16x 2( x -1 ) · ( x -1 ) + 4x 3x +1 · ( x -1 ) -6 · ( x -1 ) = 0
8x + 4 x ( x -1 ) 3x +1 -6x +6 = 0
8x + 4 x 2 -4x 3x +1 -6x +6 = 0
4 x 2 -4x 3x +1 +8x -6x +6 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +1 weg!

4 x 2 -4x 3x +1 +8x -6x +6 = 0 |⋅( 3x +1 )
4 x 2 -4x 3x +1 · ( 3x +1 ) + 8x · ( 3x +1 ) -6x · ( 3x +1 ) + 6 · ( 3x +1 ) = 0
4 x 2 -4x +8 x ( 3x +1 )-6 x ( 3x +1 ) +18x +6 = 0
4 x 2 -4x + ( 24 x 2 +8x ) + ( -18 x 2 -6x ) +18x +6 = 0
10 x 2 +16x +6 = 0
10 x 2 +16x +6 = 0 |:2

5 x 2 +8x +3 = 0

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

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

x1,2 = -8 ± 8 2 -4 · 5 · 3 25

x1,2 = -8 ± 64 -60 10

x1,2 = -8 ± 4 10

x1 = -8 + 4 10 = -8 +2 10 = -6 10 = -0,6

x2 = -8 - 4 10 = -8 -2 10 = -10 10 = -1

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 "5 " teilen:

5 x 2 +8x +3 = 0 |: 5

x 2 + 8 5 x + 3 5 = 0

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

D = ( 4 5 ) 2 - ( 3 5 ) = 16 25 - 3 5 = 16 25 - 15 25 = 1 25

x1,2 = - 4 5 ± 1 25

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

x2 = - 4 5 + 1 5 = - 3 5 = -0.6

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; -0,6 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 +13 x 2 +23x +12 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 +13 x 2 +23x +12 = 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 12 .

-1 ist eine Lösung, denn 2 ( -1 ) 3 +13 ( -1 ) 2 +23( -1 ) +12 = 0.

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

( 2 x 3 +13 x 2 +23x +12 ) : (x+1) = 2 x 2 +11x +12
-( 2 x 3 +2 x 2 )
11 x 2 +23x
-( 11 x 2 +11x )
12x +12
-( 12x +12 )
0

es gilt also:

2 x 3 +13 x 2 +23x +12 = ( 2 x 2 +11x +12 ) · ( x +1 )

( 2 x 2 +11x +12 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 +11x +12 = 0

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

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

x1,2 = -11 ± 11 2 -4 · 2 · 12 22

x1,2 = -11 ± 121 -96 4

x1,2 = -11 ± 25 4

x1 = -11 + 25 4 = -11 +5 4 = -6 4 = -1,5

x2 = -11 - 25 4 = -11 -5 4 = -16 4 = -4

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 "2 " teilen:

2 x 2 +11x +12 = 0 |: 2

x 2 + 11 2 x +6 = 0

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

D = ( 11 4 ) 2 - 6 = 121 16 - 6 = 121 16 - 96 16 = 25 16

x1,2 = - 11 4 ± 25 16

x1 = - 11 4 - 5 4 = - 16 4 = -4

x2 = - 11 4 + 5 4 = - 6 4 = -1.5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -4

L={ -4 ; -1,5 ; -1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | -2x -2 | +2 = -2

Lösung einblenden
- 1 2 | -2x -2 | +2 = -2 | -2
- 1 2 | -2x -2 | = -4 |⋅ ( -2 )
| -2x -2 | = 8

1. Fall: -2x -2 ≥ 0:

-2x -2 = 8 | +2
-2x = 10 |:(-2 )
x1 = -5

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

-2( -5 ) -2 = 8 ≥ 0

Die Lösung -5 genügt also der obigen Bedingung.

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

-( -2x -2 ) = 8
2x +2 = 8 | -2
2x = 6 |:2
x2 = 3

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

-23 -2 = -8 < 0

Die Lösung 3 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -5 ; 3 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 +5 t x - t ) · e -x genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 +5 t x - t ) · e -x genau dann = 0, wenn x 2 +5 t x - t = 0 oder e -x = 0 gilt:

Da ja aber e -x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 +5 t x - t zu untersuchen:

x 2 +5 t x - t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = -5 t ± ( 5 t ) 2 -4 · 1 · ( - t ) 21 = -5 t ± 25 t 2 +4 t 2

Wie viele Nullstellen jetzt hier wirklich rauskommen, hängt vom Radikand, also vom Term unter der Wurzel ab:

  • Ist 25 t 2 +4 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 t 2 +4 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 t 2 +4 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 t 2 +4 t = 0 wird.

25 t 2 +4t = 0
t ( 25t +4 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

25t +4 = 0 | -4
25t = -4 |:25
t2 = - 4 25 = -0.16

Da bei 25 t 2 +4 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 25 t 2 +4 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für t < - 4 25 oder für t > 0 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.