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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x +21 e -2x und g(x)= 10 e x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 4x +21 e -2x = 10 e x | -10 e x
e 4x -10 e x +21 e -2x = 0
( e 6x -10 e 3x +21 ) · e -2x = 0

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

1. Fall:

e 6x -10 e 3x +21 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -10u +21 = 0

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

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

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

u1,2 = +10 ± 100 -84 2

u1,2 = +10 ± 16 2

u1 = 10 + 16 2 = 10 +4 2 = 14 2 = 7

u2 = 10 - 16 2 = 10 -4 2 = 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 = ( -5 ) 2 - 21 = 25 - 21 = 4

x1,2 = 5 ± 4

x1 = 5 - 2 = 3

x2 = 5 + 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

e 3x = 7 |ln(⋅)
3x = ln( 7 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 7 ) ≈ 0.6486

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( 7 ) }

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

x1 = 1 3 ln( 3 ) : f( 1 3 ln( 3 ) )= 10 e 1 3 ln( 3 ) = 14.422 Somit gilt: S1( 1 3 ln( 3 ) |14.422)

x2 = 1 3 ln( 7 ) : f( 1 3 ln( 7 ) )= 10 e 1 3 ln( 7 ) = 19.129 Somit gilt: S2( 1 3 ln( 7 ) |19.129)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x -5 gilt m = 6

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

f(x)= 1 6 e 6x - 5 3 e 3x

f'(x)= e 6x -5 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -5 e 3x = 6 | -6
e 6x -5 e 3x -6 = 0

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

Setze u = e 3x

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 ) 2⋅1

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 3x = 6

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

u2: e 3x = -1

e 3x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 6 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x -5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 6x -7 = -6 e 3x

Lösung einblenden
e 6x -7 = -6 e 3x | +6 e 3x
e 6x +6 e 3x -7 = 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 -7 = 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 · ( -7 ) 2⋅1

u1,2 = -6 ± 36 +28 2

u1,2 = -6 ± 64 2

u1 = -6 + 64 2 = -6 +8 2 = 2 2 = 1

u2 = -6 - 64 2 = -6 -8 2 = -14 2 = -7

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 - ( -7 ) = 9+ 7 = 16

x1,2 = -3 ± 16

x1 = -3 - 4 = -7

x2 = -3 + 4 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 3x = -7

e 3x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 3x +6 + 4x 3x +5 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ - 5 3 ; -2 }

4x 3x +5 + 2x 3x +6 -5 = 0
4x 3x +5 + 2x 3( x +2 ) -5 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x +5 weg!

4x 3x +5 + 2x 3( x +2 ) -5 = 0 |⋅( 3x +5 )
4x 3x +5 · ( 3x +5 ) + 2x 3( x +2 ) · ( 3x +5 ) -5 · ( 3x +5 ) = 0
4x + 2 x · ( 3x +5 ) 3( x +2 ) -15x -25 = 0
4x + 6 x 2 +10x 3( x +2 ) -15x -25 = 0
6 x 2 +10x 3( x +2 ) +4x -15x -25 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3( x +2 ) weg!

6 x 2 +10x 3( x +2 ) +4x -15x -25 = 0 |⋅( 3( x +2 ) )
6 x 2 +10x 3( x +2 ) · ( 3( x +2 ) ) + 4x · ( 3( x +2 ) ) -15x · ( 3( x +2 ) ) -25 · ( 3( x +2 ) ) = 0
6 x 2 +10x +12 x · ( x +2 )-45 x · ( x +2 ) -75x -150 = 0
6 x 2 +10x + ( 12 x 2 +24x ) + ( -45 x 2 -90x ) -75x -150 = 0
-27 x 2 -131x -150 = 0

-27 x 2 -131x -150 = 0

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

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

x1,2 = +131 ± ( -131 ) 2 -4 · ( -27 ) · ( -150 ) 2⋅( -27 )

x1,2 = +131 ± 17161 -16200 -54

x1,2 = +131 ± 961 -54

x1 = 131 + 961 -54 = 131 +31 -54 = 162 -54 = -3

x2 = 131 - 961 -54 = 131 -31 -54 = 100 -54 = - 50 27

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 "-27 " teilen:

-27 x 2 -131x -150 = 0 |: -27

x 2 + 131 27 x + 50 9 = 0

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

D = ( 131 54 ) 2 - ( 50 9 ) = 17161 2916 - 50 9 = 17161 2916 - 16200 2916 = 961 2916

x1,2 = - 131 54 ± 961 2916

x1 = - 131 54 - 31 54 = - 162 54 = -3

x2 = - 131 54 + 31 54 = - 100 54 = -1.8518518518519

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; - 50 27 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = 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 -90 .

2 ist eine Lösung, denn 3⋅ 2 3 +26⋅ 2 2 -19⋅2 -90 = 0.

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

( 3 x 3 +26 x 2 -19x -90 ) : (x-2) = 3 x 2 +32x +45
-( 3 x 3 -6 x 2 )
32 x 2 -19x
-( 32 x 2 -64x )
45x -90
-( 45x -90 )
0

es gilt also:

3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = ( 3 x 2 +32x +45 ) · ( x -2 )

( 3 x 2 +32x +45 ) · ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +32x +45 = 0

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

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

x1,2 = -32 ± 32 2 -4 · 3 · 45 2⋅3

x1,2 = -32 ± 1024 -540 6

x1,2 = -32 ± 484 6

x1 = -32 + 484 6 = -32 +22 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -32 - 484 6 = -32 -22 6 = -54 6 = -9

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 "3 " teilen:

3 x 2 +32x +45 = 0 |: 3

x 2 + 32 3 x +15 = 0

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

D = ( 16 3 ) 2 - 15 = 256 9 - 15 = 256 9 - 135 9 = 121 9

x1,2 = - 16 3 ± 121 9

x1 = - 16 3 - 11 3 = - 27 3 = -9

x2 = - 16 3 + 11 3 = - 5 3 = -1.6666666666667


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit -9

L={ -9 ; - 5 3 ; 2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | 4x +4 | +8 = -8

Lösung einblenden
- 1 2 | 4x +4 | +8 = -8 | -8
- 1 2 | 4x +4 | = -16 |⋅ ( -2 )
| 4x +4 | = 32

1. Fall: 4x +4 ≥ 0:

4x +4 = 32 | -4
4x = 28 |:4
x1 = 7

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +4 ≥ 0) genügt:

4⋅7 +4 = 32 ≥ 0

Die Lösung 7 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x +4 < 0:

-( 4x +4 ) = 32
-4x -4 = 32 | +4
-4x = 36 |:(-4 )
x2 = -9

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +4 < 0) genügt:

4⋅( -9 ) +4 = -32 < 0

Die Lösung -9 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -9 ; 7 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= x 2 -3x -3 t genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

x 2 -3x -3 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( -3 t ) 2⋅1 = +3 ± 9 +12 t 2

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

  • Ist 9 +12 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 +12 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 +12 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 +12 t = 0 wird.

9 +12t = 0
12t +9 = 0 | -9
12t = -9 |:12
t = - 3 4 = -0.75

Da rechts der Nullstelle t= - 3 4 beispielsweise für t = 0 der Radikand 9 +12⋅0 = 9 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 9 +12 t für t > - 3 4 größer 0 und für t < - 3 4 kleiner 0

Für t < - 3 4 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.