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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 - 1 x 2 und g(x)=0. Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

D=R\{0}

Wir multiplizieren den Nenner x 2 weg!

x 4 - 1 x 2 = 0 |⋅( x 2 )
x 4 · x 2 - 1 x 2 · x 2 = 0
x 4 · x 2 -1 = 0
x 6 -1 = 0
x 6 -1 = 0 | +1
x 6 = 1 | 6
x1 = - 1 6 = -1
x2 = 1 6 = 1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 1 }

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

x1 = -1 : f( -1 )=0 = 0 Somit gilt: S1( -1 |0)

x2 = 1 : f( 1 )=0 = 0 Somit gilt: S2( 1 |0)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x -2 e 3x parallel zur Geraden y = 7x sind.

Lösung einblenden

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

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

f(x)= 1 6 e 6x -2 e 3x

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

Also muss gelten:

e 6x -6 e 3x = 7 | -7
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 ) 21

u1,2 = +6 ± 36 +28 2

u1,2 = +6 ± 64 2

u1 = 6 + 64 2 = 6 +8 2 = 14 2 = 7

u2 = 6 - 64 2 = 6 -8 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 = ( -3 ) 2 - ( -7 ) = 9+ 7 = 16

x1,2 = 3 ± 16

x1 = 3 - 4 = -1

x2 = 3 + 4 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

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

u2: e 3x = -1

e 3x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 7 ) }

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

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 7x +12 e x = 8 e 4x

Lösung einblenden
e 7x +12 e x = 8 e 4x | -8 e 4x
e 7x -8 e 4x +12 e x = 0
( e 6x -8 e 3x +12 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 6x -8 e 3x +12 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -8u +12 = 0

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

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

u1,2 = +8 ± ( -8 ) 2 -4 · 1 · 12 21

u1,2 = +8 ± 64 -48 2

u1,2 = +8 ± 16 2

u1 = 8 + 16 2 = 8 +4 2 = 12 2 = 6

u2 = 8 - 16 2 = 8 -4 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 = ( -4 ) 2 - 12 = 16 - 12 = 4

x1,2 = 4 ± 4

x1 = 4 - 2 = 2

x2 = 4 + 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 = 2

e 3x = 2 |ln(⋅)
3x = ln( 2 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 2 ) ≈ 0.231

2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 2 ) ; 1 3 ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{ - 1 2 ; -1 }

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

Wir multiplizieren den Nenner 2x +1 weg!

3x 2x +1 + 5x +1 3( x +1 ) -5 = 0 |⋅( 2x +1 )
3x 2x +1 · ( 2x +1 ) + 5x +1 3( x +1 ) · ( 2x +1 ) -5 · ( 2x +1 ) = 0
3x + ( 5x +1 ) ( 2x +1 ) 3( x +1 ) -10x -5 = 0
3x + 10 x 2 +7x +1 3( x +1 ) -10x -5 = 0
10 x 2 +7x +1 3( x +1 ) +3x -10x -5 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3( x +1 ) weg!

10 x 2 +7x +1 3( x +1 ) +3x -10x -5 = 0 |⋅( 3( x +1 ) )
10 x 2 +7x +1 3( x +1 ) · ( 3( x +1 ) ) + 3x · ( 3( x +1 ) ) -10x · ( 3( x +1 ) ) -5 · ( 3( x +1 ) ) = 0
10 x 2 +7x +1 +9 x ( x +1 )-30 x ( x +1 ) -15x -15 = 0
10 x 2 +7x +1 + ( 9 x 2 +9x ) + ( -30 x 2 -30x ) -15x -15 = 0
-11 x 2 -29x -14 = 0

-11 x 2 -29x -14 = 0

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

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

x1,2 = +29 ± ( -29 ) 2 -4 · ( -11 ) · ( -14 ) 2( -11 )

x1,2 = +29 ± 841 -616 -22

x1,2 = +29 ± 225 -22

x1 = 29 + 225 -22 = 29 +15 -22 = 44 -22 = -2

x2 = 29 - 225 -22 = 29 -15 -22 = 14 -22 = - 7 11

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 "-11 " teilen:

-11 x 2 -29x -14 = 0 |: -11

x 2 + 29 11 x + 14 11 = 0

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

D = ( 29 22 ) 2 - ( 14 11 ) = 841 484 - 14 11 = 841 484 - 616 484 = 225 484

x1,2 = - 29 22 ± 225 484

x1 = - 29 22 - 15 22 = - 44 22 = -2

x2 = - 29 22 + 15 22 = - 14 22 = -0.63636363636364

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 ; - 7 11 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 -11 x 3 +41 x 2 -61x +30 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 -11 x 3 +41 x 2 -61x +30 = 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 30 .

1 ist eine Lösung, denn 1 4 -11 1 3 +41 1 2 -611 +30 = 0.

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

( x 4 -11 x 3 +41 x 2 -61x +30 ) : (x-1) = x 3 -10 x 2 +31x -30
-( x 4 - x 3 )
-10 x 3 +41 x 2
-( -10 x 3 +10 x 2 )
31 x 2 -61x
-( 31 x 2 -31x )
-30x +30
-( -30x +30 )
0

es gilt also:

x 4 -11 x 3 +41 x 2 -61x +30 = ( x 3 -10 x 2 +31x -30 ) · ( x -1 )

( x 3 -10 x 2 +31x -30 ) ( 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 -10 x 2 +31x -30 = 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 -30 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 -10 2 2 +312 -30 = 0.

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

( x 3 -10 x 2 +31x -30 ) : (x-2) = x 2 -8x +15
-( x 3 -2 x 2 )
-8 x 2 +31x
-( -8 x 2 +16x )
15x -30
-( 15x -30 )
0

es gilt also:

x 3 -10 x 2 +31x -30 = ( x 2 -8x +15 ) · ( x -2 )

( x 2 -8x +15 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -8x +15 = 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 · 1 · 15 21

x1,2 = +8 ± 64 -60 2

x1,2 = +8 ± 4 2

x1 = 8 + 4 2 = 8 +2 2 = 10 2 = 5

x2 = 8 - 4 2 = 8 -2 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 = ( -4 ) 2 - 15 = 16 - 15 = 1

x1,2 = 4 ± 1

x1 = 4 - 1 = 3

x2 = 4 + 1 = 5


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 3

Polynomdivision mit 5


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x4 = 1

L={ 1 ; 2 ; 3 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | -4x +8 | +1 = -11

Lösung einblenden
- 1 2 | -4x +8 | +1 = -11 | -1
- 1 2 | -4x +8 | = -12 |⋅ ( -2 )
| -4x +8 | = 24

1. Fall: -4x +8 ≥ 0:

-4x +8 = 24 | -8
-4x = 16 |:(-4 )
x1 = -4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +8 ≥ 0) genügt:

-4( -4 ) +8 = 24 ≥ 0

Die Lösung -4 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -4x +8 < 0:

-( -4x +8 ) = 24
4x -8 = 24 | +8
4x = 32 |:4
x2 = 8

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +8 < 0) genügt:

-48 +8 = -24 < 0

Die Lösung 8 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -4 ; 8 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

x 4 -2 t x 2 = 0
x 2 ( x 2 -2 t ) = 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:

x 2 -2 t = 0 | - ( -2 t )
x 2 = 2 t | 2
x2 = - ( 2 t ) = -1,4142 t
x3 = ( 2 t ) = 1,4142 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 fallen die beiden Lösungen mit den Wurzeln zu einer einzigen Lösung x=0 zusammen.

Für t > 0 gibt es also 3 Lösung(en).