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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

x 4 +1 = 2 x 2 | -2 x 2
x 4 -2 x 2 +1 = 0

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

Setze u = x 2

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: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x1 = - 1 = -1
x2 = 1 = 1

u2: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x3 = - 1 = -1
x4 = 1 = 1

L={ -1 ; 1 }

-1 ist 2-fache Lösung! 1 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 : f( -1 )= 2 ( -1 ) 2 = 2 Somit gilt: S1( -1 |2)

x2 = 1 : f( 1 )= 2 1 2 = 2 Somit gilt: S2( 1 |2)

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 -1 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x -1 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 = 2 2 = 1

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

x1,2 = - 5 2 ± 49 4

x1 = - 5 2 - 7 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 5 2 + 7 2 = 2 2 = 1

Rücksubstitution:

u1: e x = 1

e x = 1 |ln(⋅)
x1 = 0 ≈ 0

u2: e x = -6

e x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x -1 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 4x + e 2x -12 = 0

Lösung einblenden
e 4x + e 2x -12 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -12 = 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 · ( -12 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +48 2

u1,2 = -1 ± 49 2

u1 = -1 + 49 2 = -1 +7 2 = 6 2 = 3

u2 = -1 - 49 2 = -1 -7 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 - ( -12 ) = 1 4 + 12 = 1 4 + 48 4 = 49 4

x1,2 = - 1 2 ± 49 4

x1 = - 1 2 - 7 2 = - 8 2 = -4

x2 = - 1 2 + 7 2 = 6 2 = 3

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 3

e 2x = 3 |ln(⋅)
2x = ln( 3 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 3 ) ≈ 0.5493

u2: e 2x = -4

e 2x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 3 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

5x -1 x +1 + 3x 2x -1 + 23x -1 -3x -3 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ -1 ; 1 2 }

23x -1 -3x -3 + 5x -1 x +1 + 3x 2x -1 = 0
23x -1 -3( x +1 ) + 5x -1 x +1 + 3x 2x -1 = 0 |(Nenner faktorisiert)

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

23x -1 -3( x +1 ) + 5x -1 x +1 + 3x 2x -1 = 0 |⋅( 3( x +1 ) )
23x -1 -3( x +1 ) · ( 3( x +1 ) ) + 5x -1 x +1 · ( 3( x +1 ) ) + 3x 2x -1 · ( 3( x +1 ) ) = 0
-23x +1 +15x -3 +3 3 x ( x +1 ) 2x -1 = 0
-23x +1 +15x -3 + 3( 3 x 2 +3x ) 2x -1 = 0
3( 3 x 2 +3x ) 2x -1 -23x +15x +1 -3 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x -1 weg!

3( 3 x 2 +3x ) 2x -1 -23x +15x +1 -3 = 0 |⋅( 2x -1 )
3( 3 x 2 +3x ) 2x -1 · ( 2x -1 ) -23x · ( 2x -1 ) + 15x · ( 2x -1 ) + 1 · ( 2x -1 ) -3 · ( 2x -1 ) = 0
9 x 2 +9x -23 x ( 2x -1 )+15 x ( 2x -1 ) +2x -1 -6x +3 = 0
9 x 2 +9x + ( -46 x 2 +23x ) + ( 30 x 2 -15x ) +2x -1 -6x +3 = 0
-7 x 2 +13x +2 = 0

-7 x 2 +13x +2 = 0

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

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

x1,2 = -13 ± 13 2 -4 · ( -7 ) · 2 2( -7 )

x1,2 = -13 ± 169 +56 -14

x1,2 = -13 ± 225 -14

x1 = -13 + 225 -14 = -13 +15 -14 = 2 -14 = - 1 7 ≈ -0.14

x2 = -13 - 225 -14 = -13 -15 -14 = -28 -14 = 2

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 "-7 " teilen:

-7 x 2 +13x +2 = 0 |: -7

x 2 - 13 7 x - 2 7 = 0

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

D = ( - 13 14 ) 2 - ( - 2 7 ) = 169 196 + 2 7 = 169 196 + 56 196 = 225 196

x1,2 = 13 14 ± 225 196

x1 = 13 14 - 15 14 = - 2 14 = -0.14285714285714

x2 = 13 14 + 15 14 = 28 14 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ - 1 7 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 - x 2 -22x +40 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 - x 2 -22x +40 = 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 40 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 - 2 2 -222 +40 = 0.

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

( x 3 - x 2 -22x +40 ) : (x-2) = x 2 + x -20
-( x 3 -2 x 2 )
x 2 -22x
-( x 2 -2x )
-20x +40
-( -20x +40 )
0

es gilt also:

x 3 - x 2 -22x +40 = ( x 2 + x -20 ) · ( x -2 )

( x 2 + x -20 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 + x -20 = 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 · ( -20 ) 21

x1,2 = -1 ± 1 +80 2

x1,2 = -1 ± 81 2

x1 = -1 + 81 2 = -1 +9 2 = 8 2 = 4

x2 = -1 - 81 2 = -1 -9 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 - ( -20 ) = 1 4 + 20 = 1 4 + 80 4 = 81 4

x1,2 = - 1 2 ± 81 4

x1 = - 1 2 - 9 2 = - 10 2 = -5

x2 = - 1 2 + 9 2 = 8 2 = 4


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 4

Polynomdivision mit -5

L={ -5 ; 2 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | 4x +8 | -3 = 13

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- 1 2 | 4x +8 | -3 = 13 | +3
- 1 2 | 4x +8 | = 16 |⋅ ( -2 )
| 4x +8 | = -32

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

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

2 t x 2 -3 = 0 | +3
2 t x 2 = 3 |:2 t
x 2 = 3 2 1 t | 2
x1 = - ( 3 2 1 t ) = - 1,7321 1,4142 1 t
x2 = ( 3 2 1 t ) = 1,7321 1,4142 1 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:

-3 = 0 | +3
0 = 3

Diese Gleichung hat keine Lösung!

Für t ≤ 0 gibt es also 0 Lösung(en).