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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 3x - 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 3x - e 2x = 30 e x | -30 e x
e 3x - e 2x -30 e x = 0
( e 2x - e x -30 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 2x - e x -30 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -30 = 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 · ( -30 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +120 2

u1,2 = +1 ± 121 2

u1 = 1 + 121 2 = 1 +11 2 = 12 2 = 6

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

x1,2 = 1 2 ± 121 4

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

x2 = 1 2 + 11 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e x = 6

e x = 6 |ln(⋅)
x1 = ln( 6 ) ≈ 1.7918

u2: e x = -5

e x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 6 ) }

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

x1 = ln( 6 ) : f( ln( 6 ) )= 30 e ln( 6 ) = 180 Somit gilt: S1( ln( 6 ) |180)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 5 +2 x · e 2x parallel zur Geraden y = 0 sind.

Lösung einblenden

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

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

f(x)= 5 +2 x · e 2x

f'(x)= 2 e 2x +4 x · e 2x

Also muss gelten:

2 e 2x +4 x · e 2x = 0
2 ( 2x +1 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

2x +1 = 0 | -1
2x = -1 |:2
x1 = - 1 2 = -0.5

2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ - 1 2 }

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

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( -4 e x +5 ) · ( x 4 - x 3 ) = 0

Lösung einblenden
( -4 e x +5 ) ( x 4 - x 3 ) = 0

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

1. Fall:

-4 e x +5 = 0 | -5
-4 e x = -5 |:-4
e x = 5 4 |ln(⋅)
x1 = ln( 5 4 ) ≈ 0.2231

2. Fall:

x 4 - x 3 = 0
x 3 ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

x 3 = 0 | 3
x2 = 0

2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

L={0; ln( 5 4 ) ; 1 }

0 ist 3-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 2x +2 + 3x -2 x + 11x -2 -2x = 0

Lösung einblenden

D=R\{0; -1 }

- 11x -2 2x + 3x -2 x + 2x 2x +2 = 0
- 11x -2 2x + 3x -2 x + 2x 2( x +1 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 2x weg!

- 11x -2 2x + 3x -2 x + 2x 2( x +1 ) = 0 |⋅( 2x )
- 11x -2 2x · 2x + 3x -2 x · 2x + 2x 2( x +1 ) · 2x = 0
-11x +2 +6x -4 +2 x · x x +1 = 0
-11x +2 +6x -4 + 2 x 2 x +1 = 0
2 x 2 x +1 -11x +6x +2 -4 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +1 weg!

2 x 2 x +1 -11x +6x +2 -4 = 0 |⋅( x +1 )
2 x 2 x +1 · ( x +1 ) -11x · ( x +1 ) + 6x · ( x +1 ) + 2 · ( x +1 ) -4 · ( x +1 ) = 0
2 x 2 -11 x ( x +1 )+6 x ( x +1 ) +2x +2 -4x -4 = 0
2 x 2 + ( -11 x 2 -11x ) + ( 6 x 2 +6x ) +2x +2 -4x -4 = 0
-3 x 2 -7x -2 = 0

-3 x 2 -7x -2 = 0

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

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

x1,2 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · ( -3 ) · ( -2 ) 2( -3 )

x1,2 = +7 ± 49 -24 -6

x1,2 = +7 ± 25 -6

x1 = 7 + 25 -6 = 7 +5 -6 = 12 -6 = -2

x2 = 7 - 25 -6 = 7 -5 -6 = 2 -6 = - 1 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 -7x -2 = 0 |: -3

x 2 + 7 3 x + 2 3 = 0

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

D = ( 7 6 ) 2 - ( 2 3 ) = 49 36 - 2 3 = 49 36 - 24 36 = 25 36

x1,2 = - 7 6 ± 25 36

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

x2 = - 7 6 + 5 6 = - 2 6 = -0.33333333333333

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 ; - 1 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 +4 x 3 -17 x 2 -24x +36 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 +4 x 3 -17 x 2 -24x +36 = 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 36 .

1 ist eine Lösung, denn 1 4 +4 1 3 -17 1 2 -241 +36 = 0.

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

( x 4 +4 x 3 -17 x 2 -24x +36 ) : (x-1) = x 3 +5 x 2 -12x -36
-( x 4 - x 3 )
5 x 3 -17 x 2
-( 5 x 3 -5 x 2 )
-12 x 2 -24x
-( -12 x 2 +12x )
-36x +36
-( -36x +36 )
0

es gilt also:

x 4 +4 x 3 -17 x 2 -24x +36 = ( x 3 +5 x 2 -12x -36 ) · ( x -1 )

( x 3 +5 x 2 -12x -36 ) ( 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 +5 x 2 -12x -36 = 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 -36 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 +5 ( -2 ) 2 -12( -2 ) -36 = 0.

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

( x 3 +5 x 2 -12x -36 ) : (x+2) = x 2 +3x -18
-( x 3 +2 x 2 )
3 x 2 -12x
-( 3 x 2 +6x )
-18x -36
-( -18x -36 )
0

es gilt also:

x 3 +5 x 2 -12x -36 = ( x 2 +3x -18 ) · ( x +2 )

( x 2 +3x -18 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +3x -18 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -18 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +72 2

x1,2 = -3 ± 81 2

x1 = -3 + 81 2 = -3 +9 2 = 6 2 = 3

x2 = -3 - 81 2 = -3 -9 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 = ( 3 2 ) 2 - ( -18 ) = 9 4 + 18 = 9 4 + 72 4 = 81 4

x1,2 = - 3 2 ± 81 4

x1 = - 3 2 - 9 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 3 2 + 9 2 = 6 2 = 3


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 3

Polynomdivision mit -6


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x4 = 1

L={ -6 ; -2 ; 1 ; 3 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | 3x -9 | +2 = 11

Lösung einblenden
1 3 | 3x -9 | +2 = 11 | -2
1 3 | 3x -9 | = 9 |⋅3
| 3x -9 | = 27

1. Fall: 3x -9 ≥ 0:

3x -9 = 27 | +9
3x = 36 |:3
x1 = 12

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

312 -9 = 27 ≥ 0

Die Lösung 12 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x -9 < 0:

-( 3x -9 ) = 27
-3x +9 = 27 | -9
-3x = 18 |:(-3 )
x2 = -6

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

3( -6 ) -9 = -27 < 0

Die Lösung -6 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -6 ; 12 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= -5 x 4 + t x 2 genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

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

-5 x 4 + t x 2 = 0
x 2 ( -5 x 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:

-5 x 2 + t = 0 | - ( t )
-5 x 2 = -1 t |: ( -5 )
x 2 = 1 5 t | 2
x2 = - ( 1 5 t ) = - 1 2,2361 t
x3 = ( 1 5 t ) = 1 2,2361 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 1 Lösung(en).