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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 5x -11 e 2x und g(x)= -30 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 5x -11 e 2x = -30 e -x | +30 e -x
e 5x -11 e 2x +30 e -x = 0
( e 6x -11 e 3x +30 ) · e -x = 0

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

1. Fall:

e 6x -11 e 3x +30 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -11u +30 = 0

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

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

u1,2 = +11 ± ( -11 ) 2 -4 · 1 · 30 2⋅1

u1,2 = +11 ± 121 -120 2

u1,2 = +11 ± 1 2

u1 = 11 + 1 2 = 11 +1 2 = 12 2 = 6

u2 = 11 - 1 2 = 11 -1 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 = ( - 11 2 ) 2 - 30 = 121 4 - 30 = 121 4 - 120 4 = 1 4

x1,2 = 11 2 ± 1 4

x1 = 11 2 - 1 2 = 10 2 = 5

x2 = 11 2 + 1 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 = 5

e 3x = 5 |ln(⋅)
3x = ln( 5 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 5 ) ≈ 0.5365

2. Fall:

e -x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 5 ) ; 1 3 ln( 6 ) }

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

x1 = 1 3 ln( 5 ) : f( 1 3 ln( 5 ) )= -30 e -( 1 3 ln( 5 ) ) = -17.544 Somit gilt: S1( 1 3 ln( 5 ) |-17.544)

x2 = 1 3 ln( 6 ) : f( 1 3 ln( 6 ) )= -30 e -( 1 3 ln( 6 ) ) = -16.51 Somit gilt: S2( 1 3 ln( 6 ) |-16.51)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 5 x 5 + 4 3 x 3 parallel zur Geraden y = 32x +6 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 32x +6 gilt m = 32

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

f(x)= 1 5 x 5 + 4 3 x 3

f'(x)= x 4 +4 x 2

Also muss gelten:

x 4 +4 x 2 = 32 | -32
x 4 +4 x 2 -32 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +4u -32 = 0

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

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

u1,2 = -4 ± 4 2 -4 · 1 · ( -32 ) 2⋅1

u1,2 = -4 ± 16 +128 2

u1,2 = -4 ± 144 2

u1 = -4 + 144 2 = -4 +12 2 = 8 2 = 4

u2 = -4 - 144 2 = -4 -12 2 = -16 2 = -8

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 = 2 2 - ( -32 ) = 4+ 32 = 36

x1,2 = -2 ± 36

x1 = -2 - 6 = -8

x2 = -2 + 6 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | ⋅2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = -8

x 2 = -8 | ⋅2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 2 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 32 und sind somit parallel zur Geraden y = 32x +6 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 5x -2 e 3x -8 e x = 0

Lösung einblenden
e 5x -2 e 3x -8 e x = 0
( e 4x -2 e 2x -8 ) · e x = 0

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

1. Fall:

e 4x -2 e 2x -8 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -2u -8 = 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 · ( -8 ) 2⋅1

u1,2 = +2 ± 4 +32 2

u1,2 = +2 ± 36 2

u1 = 2 + 36 2 = 2 +6 2 = 8 2 = 4

u2 = 2 - 36 2 = 2 -6 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 = ( -1 ) 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = 1 ± 9

x1 = 1 - 3 = -2

x2 = 1 + 3 = 4

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 4

e 2x = 4 |ln(⋅)
2x = ln( 4 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 4 ) ≈ 0.6931
x1 = ln( 2 )

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

8x -1 3x + 8x x -3 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 3 ; 0}

8x x -3 + 8x -1 3x -5 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -3 weg!

8x x -3 + 8x -1 3x -5 = 0 |⋅( x -3 )
8x x -3 · ( x -3 ) + 8x -1 3x · ( x -3 ) -5 · ( x -3 ) = 0
8x + ( 8x -1 ) · ( x -3 ) 3x -5x +15 = 0
8x + 8 x 2 -25x +3 3x -5x +15 = 0
8 x 2 -25x +3 3x +8x -5x +15 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x weg!

8 x 2 -25x +3 3x +8x -5x +15 = 0 |⋅( 3x )
8 x 2 -25x +3 3x · 3x + 8x · 3x -5x · 3x + 15 · 3x = 0
8 x 2 -25x +3 +24 x · x -15 x · x +45x = 0
8 x 2 -25x +3 +24 x 2 -15 x 2 +45x = 0
17 x 2 +20x +3 = 0

17 x 2 +20x +3 = 0

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

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

x1,2 = -20 ± 20 2 -4 · 17 · 3 2⋅17

x1,2 = -20 ± 400 -204 34

x1,2 = -20 ± 196 34

x1 = -20 + 196 34 = -20 +14 34 = -6 34 = - 3 17 ≈ -0.18

x2 = -20 - 196 34 = -20 -14 34 = -34 34 = -1

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 "17 " teilen:

17 x 2 +20x +3 = 0 |: 17

x 2 + 20 17 x + 3 17 = 0

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

D = ( 10 17 ) 2 - ( 3 17 ) = 100 289 - 3 17 = 100 289 - 51 289 = 49 289

x1,2 = - 10 17 ± 49 289

x1 = - 10 17 - 7 17 = - 17 17 = -1

x2 = - 10 17 + 7 17 = - 3 17 = -0.17647058823529

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; - 3 17 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +26 x 2 +53x +30 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +26 x 2 +53x +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 3⋅ ( -1 ) 3 +26⋅ ( -1 ) 2 +53⋅( -1 ) +30 = 0.

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

( 3 x 3 +26 x 2 +53x +30 ) : (x+1) = 3 x 2 +23x +30
-( 3 x 3 +3 x 2 )
23 x 2 +53x
-( 23 x 2 +23x )
30x +30
-( 30x +30 )
0

es gilt also:

3 x 3 +26 x 2 +53x +30 = ( 3 x 2 +23x +30 ) · ( x +1 )

( 3 x 2 +23x +30 ) · ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +23x +30 = 0

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

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

x1,2 = -23 ± 23 2 -4 · 3 · 30 2⋅3

x1,2 = -23 ± 529 -360 6

x1,2 = -23 ± 169 6

x1 = -23 + 169 6 = -23 +13 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -23 - 169 6 = -23 -13 6 = -36 6 = -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 "3 " teilen:

3 x 2 +23x +30 = 0 |: 3

x 2 + 23 3 x +10 = 0

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

D = ( 23 6 ) 2 - 10 = 529 36 - 10 = 529 36 - 360 36 = 169 36

x1,2 = - 23 6 ± 169 36

x1 = - 23 6 - 13 6 = - 36 6 = -6

x2 = - 23 6 + 13 6 = - 10 6 = -1.6666666666667


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; - 5 3 ; -1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| -4x -12 | -6 = 18

Lösung einblenden
| -4x -12 | -6 = 18 | +6
| -4x -12 | = 24

1. Fall: -4x -12 ≥ 0:

-4x -12 = 24 | +12
-4x = 36 |:(-4 )
x1 = -9

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x -12 ≥ 0) genügt:

-4⋅( -9 ) -12 = 24 ≥ 0

Die Lösung -9 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -4x -12 < 0:

-( -4x -12 ) = 24
4x +12 = 24 | -12
4x = 12 |:4
x2 = 3

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x -12 < 0) genügt:

-4⋅3 -12 = -24 < 0

Die Lösung 3 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -9 ; 3 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

x1,2 = +1 t ± ( -1 t ) 2 -4 · 1 · ( -2 t ) 2⋅1 = +1 t ± t 2 +8 t 2

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

  • Ist t 2 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist t 2 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist t 2 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand t 2 +8 t = 0 wird.

t 2 +8t = 0
t · ( t +8 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t +8 = 0 | -8
t2 = -8

Da bei t 2 +8 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von t 2 +8 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 < -8 oder für t > 0 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.