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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 3x +25 e -x 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 3x +25 e -x = 10 e x | -10 e x
e 3x -10 e x +25 e -x = 0
( e 4x -10 e 2x +25 ) · e -x = 0

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

1. Fall:

e 4x -10 e 2x +25 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -10u +25 = 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 · 25 21

u1,2 = +10 ± 100 -100 2

u1,2 = +10 ± 0 2

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

u = 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 = ( -5 ) 2 - 25 = 25 - 25 = 0

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

x = 5 ± 0 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 5

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

u2: e 2x = 5

e 2x = 5 |ln(⋅)
2x = ln( 5 ) |:2
x2 = 1 2 ln( 5 ) ≈ 0.8047

2. Fall:

e -x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 5 ) }

1 2 ln( 5 ) 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 2 ln( 5 ) : f( 1 2 ln( 5 ) )= 10 e 1 2 ln( 5 ) = 22.361 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 5 ) |22.361)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 2x +4 gilt m = 2

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

f(x)= 2x -4 +3 x · e 1 3 x

f'(x)= 3 e 1 3 x +2 + x · e 1 3 x

Also muss gelten:

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

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

1. Fall:

x +3 = 0 | -3
x1 = -3

2. Fall:

e 1 3 x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ -3 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 2 und sind somit parallel zur Geraden y = 2x +4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 8x -2 e 5x = - e 2x

Lösung einblenden
e 8x -2 e 5x = - e 2x | + e 2x
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!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x +1 3x +7 + x 3x +6 -2 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ -2 ; - 7 3 }

x 3x +6 + x +1 3x +7 -2 = 0
x 3( x +2 ) + x +1 3x +7 -2 = 0 |(Nenner faktorisiert)

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

x 3( x +2 ) + x +1 3x +7 -2 = 0 |⋅( 3( x +2 ) )
x 3( x +2 ) · ( 3( x +2 ) ) + x +1 3x +7 · ( 3( x +2 ) ) -2 · ( 3( x +2 ) ) = 0
x +3 ( x +1 ) · ( x +2 ) 3x +7 -6x -12 = 0
x + 3( x 2 +3x +2 ) 3x +7 -6x -12 = 0
3( x 2 +3x +2 ) 3x +7 + x -6x -12 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +7 weg!

3( x 2 +3x +2 ) 3x +7 + x -6x -12 = 0 |⋅( 3x +7 )
3( x 2 +3x +2 ) 3x +7 · ( 3x +7 ) + x · ( 3x +7 ) -6x · ( 3x +7 ) -12 · ( 3x +7 ) = 0
3 x 2 +9x +6 + x · ( 3x +7 )-6 x · ( 3x +7 ) -36x -84 = 0
3 x 2 +9x +6 + ( 3 x 2 +7x ) + ( -18 x 2 -42x ) -36x -84 = 0
-12 x 2 -62x -78 = 0
-12 x 2 -62x -78 = 0 |:2

-6 x 2 -31x -39 = 0

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

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

x1,2 = +31 ± ( -31 ) 2 -4 · ( -6 ) · ( -39 ) 2( -6 )

x1,2 = +31 ± 961 -936 -12

x1,2 = +31 ± 25 -12

x1 = 31 + 25 -12 = 31 +5 -12 = 36 -12 = -3

x2 = 31 - 25 -12 = 31 -5 -12 = 26 -12 = - 13 6

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 "-6 " teilen:

-6 x 2 -31x -39 = 0 |: -6

x 2 + 31 6 x + 13 2 = 0

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

D = ( 31 12 ) 2 - ( 13 2 ) = 961 144 - 13 2 = 961 144 - 936 144 = 25 144

x1,2 = - 31 12 ± 25 144

x1 = - 31 12 - 5 12 = - 36 12 = -3

x2 = - 31 12 + 5 12 = - 26 12 = -2.1666666666667

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; - 13 6 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -13x -12 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -13x -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 ( -1 ) 3 -13( -1 ) -12 = 0.

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

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

es gilt also:

x 3 -13x -12 = ( x 2 - x -12 ) · ( x +1 )

( x 2 - x -12 ) · ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 - x -12 = 0

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

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

x1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · 1 · ( -12 ) 21

x1,2 = +1 ± 1 +48 2

x1,2 = +1 ± 49 2

x1 = 1 + 49 2 = 1 +7 2 = 8 2 = 4

x2 = 1 - 49 2 = 1 -7 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 = ( - 1 2 ) 2 - ( -12 ) = 1 4 + 12 = 1 4 + 48 4 = 49 4

x1,2 = 1 2 ± 49 4

x1 = 1 2 - 7 2 = - 6 2 = -3

x2 = 1 2 + 7 2 = 8 2 = 4


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -3

Polynomdivision mit 4

L={ -3 ; -1 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| -2x -6 | -8 = -2

Lösung einblenden
| -2x -6 | -8 = -2 | +8
| -2x -6 | = 6

1. Fall: -2x -6 ≥ 0:

-2x -6 = 6 | +6
-2x = 12 |:(-2 )
x1 = -6

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -6 ≥ 0) genügt:

-2( -6 ) -6 = 6 ≥ 0

Die Lösung -6 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x -6 < 0:

-( -2x -6 ) = 6
2x +6 = 6 | -6
2x = 0 |:2
x2 = 0

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -6 < 0) genügt:

-20 -6 = -6 < 0

Die Lösung 0 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -6 ; 0}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 -5x +5 t ) genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

ln(u) ist genau dann = 0, wenn e0=u, also 1 = u ist:

ln( x 2 -5x +5 t ) = 0

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

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

x 2 -5x + 5t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( 5t -1 ) 21 = +5 ± 25 + ( -20t +4 ) 2

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

  • Ist 25 + ( -20t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 + ( -20t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 + ( -20t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 + ( -20t +4 ) = 0 wird.

25 -20t +4 = 0
-20t +29 = 0 | -29
-20t = -29 |:(-20 )
t = 29 20 = 1.45

Da rechts der Nullstelle t= 29 20 beispielsweise für t = 2 der Radikand 25 + ( -202 +4 ) = -11 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 25 + ( -20t +4 ) für t > 29 20 kleiner 0 und für t < 29 20 größer 0

Für t > 29 20 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.