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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 3 + 9 x und g(x)= 10x . 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 weg!

x 3 + 9 x = 10x |⋅( x )
x 3 · x + 9 x · x = 10x · x
x 3 · x +9 = 10 x · x
x 4 +9 = 10 x · x
x 4 +9 = 10 x 2
x 4 +9 = 10 x 2 | -10 x 2
x 4 -10 x 2 +9 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -10u +9 = 0

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

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

u1,2 = +10 ± ( -10 ) 2 -4 · 1 · 9 21

u1,2 = +10 ± 100 -36 2

u1,2 = +10 ± 64 2

u1 = 10 + 64 2 = 10 +8 2 = 18 2 = 9

u2 = 10 - 64 2 = 10 -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 = ( -5 ) 2 - 9 = 25 - 9 = 16

x1,2 = 5 ± 16

x1 = 5 - 4 = 1

x2 = 5 + 4 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x1 = - 9 = -3
x2 = 9 = 3

u2: x 2 = 1

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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

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

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

x1 = -3 : f( -3 )= 10( -3 ) = -30 Somit gilt: S1( -3 |-30)

x2 = -1 : f( -1 )= 10( -1 ) = -10 Somit gilt: S2( -1 |-10)

x3 = 1 : f( 1 )= 101 = 10 Somit gilt: S3( 1 |10)

x4 = 3 : f( 3 )= 103 = 30 Somit gilt: S4( 3 |30)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 3 x 3 - 5 2 x 2 parallel zur Geraden y = 6x -2 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x -2 gilt m = 6

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

f(x)= 1 3 x 3 - 5 2 x 2

f'(x)= x 2 -5x

Also muss gelten:

x 2 -5x = 6 | -6

x 2 -5x -6 = 0

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

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

x1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

x1,2 = +5 ± 25 +24 2

x1,2 = +5 ± 49 2

x1 = 5 + 49 2 = 5 +7 2 = 12 2 = 6

x2 = 5 - 49 2 = 5 -7 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 = ( - 5 2 ) 2 - ( -6 ) = 25 4 + 6 = 25 4 + 24 4 = 49 4

x1,2 = 5 2 ± 49 4

x1 = 5 2 - 7 2 = - 2 2 = -1

x2 = 5 2 + 7 2 = 12 2 = 6

L={ -1 ; 6 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x -2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 6 -3 x 4 = 4 x 2

Lösung einblenden
x 6 -3 x 4 = 4 x 2 | -4 x 2
x 6 -3 x 4 -4 x 2 = 0
x 2 ( x 4 -3 x 2 -4 ) = 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 4 -3 x 2 -4 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -3u -4 = 0

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

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

u1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( -4 ) 21

u1,2 = +3 ± 9 +16 2

u1,2 = +3 ± 25 2

u1 = 3 + 25 2 = 3 +5 2 = 8 2 = 4

u2 = 3 - 25 2 = 3 -5 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 ) 2 - ( -4 ) = 9 4 + 4 = 9 4 + 16 4 = 25 4

x1,2 = 3 2 ± 25 4

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

x2 = 3 2 + 5 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x2 = - 4 = -2
x3 = 4 = 2

u2: x 2 = -1

x 2 = -1 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 0; 2 }

0 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{ 1 3 ; -1 }

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

Wir multiplizieren den Nenner 3x -1 weg!

8x 3x -1 + 8x x +1 -8 = 0 |⋅( 3x -1 )
8x 3x -1 · ( 3x -1 ) + 8x x +1 · ( 3x -1 ) -8 · ( 3x -1 ) = 0
8x + 8 x ( 3x -1 ) x +1 -24x +8 = 0
8x + 24 x 2 -8x x +1 -24x +8 = 0
24 x 2 -8x x +1 +8x -24x +8 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +1 weg!

24 x 2 -8x x +1 +8x -24x +8 = 0 |⋅( x +1 )
24 x 2 -8x x +1 · ( x +1 ) + 8x · ( x +1 ) -24x · ( x +1 ) + 8 · ( x +1 ) = 0
24 x 2 -8x +8 x ( x +1 )-24 x ( x +1 ) +8x +8 = 0
24 x 2 -8x + ( 8 x 2 +8x ) + ( -24 x 2 -24x ) +8x +8 = 0
8 x 2 -16x +8 = 0
8 x 2 -16x +8 = 0 |:8

x 2 -2x +1 = 0

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

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

x1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 1 · 1 21

x1,2 = +2 ± 4 -4 2

x1,2 = +2 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

x = 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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 1 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +6 x 2 - x -6 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +6 x 2 - x -6 = 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 -6 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 +6 ( -1 ) 2 - ( -1 ) -6 = 0.

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

( x 3 +6 x 2 - x -6 ) : (x+1) = x 2 +5x -6
-( x 3 + x 2 )
5 x 2 - x
-( 5 x 2 +5x )
-6x -6
-( -6x -6 )
0

es gilt also:

x 3 +6 x 2 - x -6 = ( x 2 +5x -6 ) · ( x +1 )

( x 2 +5x -6 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +5x -6 = 0

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

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

x1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

x1,2 = -5 ± 25 +24 2

x1,2 = -5 ± 49 2

x1 = -5 + 49 2 = -5 +7 2 = 2 2 = 1

x2 = -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


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 1

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; -1 ; 1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | x -1 | -5 = -10

Lösung einblenden
- 1 3 | x -1 | -5 = -10 | +5
- 1 3 | x -1 | = -5 |⋅ ( -3 )
| x -1 | = 15

1. Fall: x -1 ≥ 0:

x -1 = 15 | +1
x1 = 16

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( x -1 ≥ 0) genügt:

16 -1 = 15 ≥ 0

Die Lösung 16 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: x -1 < 0:

-( x -1 ) = 15
-x +1 = 15 | -1
-x = 14 |:(-1 )
x2 = -14

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( x -1 < 0) genügt:

-14 -1 = -15 < 0

Die Lösung -14 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -14 ; 16 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

x 2 +3 t x +5 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = -3 t ± ( 3 t ) 2 -4 · 1 · 5 t 21 = -3 t ± 9 t 2 -20 t 2

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

  • Ist 9 t 2 -20 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 t 2 -20 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 t 2 -20 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 t 2 -20 t = 0 wird.

9 t 2 -20t = 0
t ( 9t -20 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

9t -20 = 0 | +20
9t = 20 |:9
t2 = 20 9

Da bei 9 t 2 -20 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 9 t 2 -20 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 < 0 oder für t > 20 9 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.