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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 8x +2 e 5x und g(x)= 24 e 2x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 8x +2 e 5x = 24 e 2x | -24 e 2x
e 8x +2 e 5x -24 e 2x = 0
( e 6x +2 e 3x -24 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

e 6x +2 e 3x -24 = 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 -24 = 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 · ( -24 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +96 2

u1,2 = -2 ± 100 2

u1 = -2 + 100 2 = -2 +10 2 = 8 2 = 4

u2 = -2 - 100 2 = -2 -10 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 = 1 2 - ( -24 ) = 1+ 24 = 25

x1,2 = -1 ± 25

x1 = -1 - 5 = -6

x2 = -1 + 5 = 4

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x1 = 2 3 ln( 2 )

u2: e 3x = -6

e 3x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 3 ln( 2 ) }

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

x1 = 2 3 ln( 2 ) : f( 2 3 ln( 2 ) )= 24 e 2( 2 3 ln( 2 ) ) = 60.476 Somit gilt: S1( 2 3 ln( 2 ) |60.476)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 4 +4 x · e -3x parallel zur Geraden y = 7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 7 gilt m = 0

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

f(x)= 4 +4 x · e -3x

f'(x)= 4 e -3x -12 x · e -3x

Also muss gelten:

4 e -3x -12 x · e -3x = 0
4 ( -3x +1 ) · e -3x = 0

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

1. Fall:

-3x +1 = 0 | -1
-3x = -1 |:(-3 )
x1 = 1 3

2. Fall:

e -3x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 0 und sind somit parallel zur Geraden y = 7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 6x + e 4x = 6 e 2x

Lösung einblenden
e 6x + e 4x = 6 e 2x | -6 e 2x
e 6x + e 4x -6 e 2x = 0
( e 4x + e 2x -6 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

e 4x + e 2x -6 = 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 -6 = 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 · ( -6 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +24 2

u1,2 = -1 ± 25 2

u1 = -1 + 25 2 = -1 +5 2 = 4 2 = 2

u2 = -1 - 25 2 = -1 -5 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 - ( -6 ) = 1 4 + 6 = 1 4 + 24 4 = 25 4

x1,2 = - 1 2 ± 25 4

x1 = - 1 2 - 5 2 = - 6 2 = -3

x2 = - 1 2 + 5 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 2

e 2x = 2 |ln(⋅)
2x = ln( 2 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 2 ) ≈ 0.3466

u2: e 2x = -3

e 2x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x +1 2x +4 + x +1 3x +7 -5 = 0

Lösung einblenden

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

x +1 3x +7 + 3x +1 2x +4 -5 = 0
x +1 3x +7 + 3x +1 2( x +2 ) -5 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x +7 weg!

x +1 3x +7 + 3x +1 2( x +2 ) -5 = 0 |⋅( 3x +7 )
x +1 3x +7 · ( 3x +7 ) + 3x +1 2( x +2 ) · ( 3x +7 ) -5 · ( 3x +7 ) = 0
x +1 + ( 3x +1 ) · ( 3x +7 ) 2( x +2 ) -15x -35 = 0
x +1 + 9 x 2 +24x +7 2( x +2 ) -15x -35 = 0
9 x 2 +24x +7 2( x +2 ) + x -15x +1 -35 = 0

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

9 x 2 +24x +7 2( x +2 ) + x -15x +1 -35 = 0 |⋅( 2( x +2 ) )
9 x 2 +24x +7 2( x +2 ) · ( 2( x +2 ) ) + x · ( 2( x +2 ) ) -15x · ( 2( x +2 ) ) + 1 · ( 2( x +2 ) ) -35 · ( 2( x +2 ) ) = 0
9 x 2 +24x +7 +2 x · ( x +2 )-30 x · ( x +2 ) +2x +4 -70x -140 = 0
9 x 2 +24x +7 + ( 2 x 2 +4x ) + ( -30 x 2 -60x ) +2x +4 -70x -140 = 0
-19 x 2 -100x -129 = 0

-19 x 2 -100x -129 = 0

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

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

x1,2 = +100 ± ( -100 ) 2 -4 · ( -19 ) · ( -129 ) 2( -19 )

x1,2 = +100 ± 10000 -9804 -38

x1,2 = +100 ± 196 -38

x1 = 100 + 196 -38 = 100 +14 -38 = 114 -38 = -3

x2 = 100 - 196 -38 = 100 -14 -38 = 86 -38 = - 43 19

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 "-19 " teilen:

-19 x 2 -100x -129 = 0 |: -19

x 2 + 100 19 x + 129 19 = 0

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

D = ( 50 19 ) 2 - ( 129 19 ) = 2500 361 - 129 19 = 2500 361 - 2451 361 = 49 361

x1,2 = - 50 19 ± 49 361

x1 = - 50 19 - 7 19 = - 57 19 = -3

x2 = - 50 19 + 7 19 = - 43 19 = -2.2631578947368

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; - 43 19 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +2 x 2 -23x -30 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +2 x 2 -23x -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 3 ( -2 ) 3 +2 ( -2 ) 2 -23( -2 ) -30 = 0.

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

( 3 x 3 +2 x 2 -23x -30 ) : (x+2) = 3 x 2 -4x -15
-( 3 x 3 +6 x 2 )
-4 x 2 -23x
-( -4 x 2 -8x )
-15x -30
-( -15x -30 )
0

es gilt also:

3 x 3 +2 x 2 -23x -30 = ( 3 x 2 -4x -15 ) · ( x +2 )

( 3 x 2 -4x -15 ) · ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 -4x -15 = 0

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

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

x1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 3 · ( -15 ) 23

x1,2 = +4 ± 16 +180 6

x1,2 = +4 ± 196 6

x1 = 4 + 196 6 = 4 +14 6 = 18 6 = 3

x2 = 4 - 196 6 = 4 -14 6 = -10 6 = - 5 3

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 -4x -15 = 0 |: 3

x 2 - 4 3 x -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 = ( - 2 3 ) 2 - ( -5 ) = 4 9 + 5 = 4 9 + 45 9 = 49 9

x1,2 = 2 3 ± 49 9

x1 = 2 3 - 7 3 = - 5 3 = -1.6666666666667

x2 = 2 3 + 7 3 = 9 3 = 3


2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x3 = -2

Polynomdivision mit 3

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

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 2 | 3x +9 | -2 = 16

Lösung einblenden
1 2 | 3x +9 | -2 = 16 | +2
1 2 | 3x +9 | = 18 |⋅2
| 3x +9 | = 36

1. Fall: 3x +9 ≥ 0:

3x +9 = 36 | -9
3x = 27 |:3
x1 = 9

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x +9 ≥ 0) genügt:

39 +9 = 36 ≥ 0

Die Lösung 9 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x +9 < 0:

-( 3x +9 ) = 36
-3x -9 = 36 | +9
-3x = 45 |:(-3 )
x2 = -15

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x +9 < 0) genügt:

3( -15 ) +9 = -36 < 0

Die Lösung -15 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -15 ; 9 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 +5 t x -3 t ) · e t x genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 +5 t x -3 t ) · e t x genau dann = 0, wenn x 2 +5 t x -3 t = 0 oder e t x = 0 gilt:

Da ja aber e t x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 +5 t x -3 t zu untersuchen:

x 2 +5 t x -3 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 · ( -3 t ) 21 = -5 t ± 25 t 2 +12 t 2

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

  • Ist 25 t 2 +12 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 t 2 +12 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 t 2 +12 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 t 2 +12 t = 0 wird.

25 t 2 +12t = 0
t · ( 25t +12 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

25t +12 = 0 | -12
25t = -12 |:25
t2 = - 12 25 = -0.48

Da bei 25 t 2 +12 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 25 t 2 +12 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 < - 12 25 oder für t > 0 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.