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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 6 + x 4 und g(x)= 20 x 2 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 6 + x 4 = 20 x 2 | -20 x 2
x 6 + x 4 -20 x 2 = 0
x 2 ( x 4 + x 2 -20 ) = 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 + x 2 -20 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -20 = 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 · ( -20 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +80 2

u1,2 = -1 ± 81 2

u1 = -1 + 81 2 = -1 +9 2 = 8 2 = 4

u2 = -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

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

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

u2: x 2 = -5

x 2 = -5 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 0; 2 }

0 ist 2-fache Lösung!

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

x1 = -2 : f( -2 )= 20 ( -2 ) 2 = 80 Somit gilt: S1( -2 |80)

x2 = 0: f(0)= 20 0 2 = 0 Somit gilt: S2(0|0)

x3 = 2 : f( 2 )= 20 2 2 = 80 Somit gilt: S3( 2 |80)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -x -3 gilt m = -1

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

f(x)= -x -1 +3 x 2 · e x

f'(x)= -1 +3 x 2 · e x +6 x · e x

Also muss gelten:

-1 +3 x 2 · e x +6 x · e x = -1 | +1
-1 +1 +3 x 2 · e x +6 x · e x = 0
3 x 2 · e x +6 x · e x = 0
3 ( x 2 +2x ) e x = 0

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

1. Fall:

x 2 +2x = 0
x ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x2 = -2

2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ -2 ; 0}

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -1 und sind somit parallel zur Geraden y = -x -3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 7x +2 e 4x -35 e x = 0

Lösung einblenden
e 7x +2 e 4x -35 e x = 0
( e 6x +2 e 3x -35 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 6x +2 e 3x -35 = 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 -35 = 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 · ( -35 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +140 2

u1,2 = -2 ± 144 2

u1 = -2 + 144 2 = -2 +12 2 = 10 2 = 5

u2 = -2 - 144 2 = -2 -12 2 = -14 2 = -7

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 - ( -35 ) = 1+ 35 = 36

x1,2 = -1 ± 36

x1 = -1 - 6 = -7

x2 = -1 + 6 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 5

e 3x = 5 |ln(⋅)
3x = ln( 5 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 5 ) ≈ 0.5365

u2: e 3x = -7

e 3x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 5 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x +2 2x +6 + 2x -1 x +1 -6 = 0

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D=R\{ -1 ; -3 }

2x -1 x +1 + 2x +2 2x +6 -6 = 0
2x -1 x +1 + 2x +2 2( x +3 ) -6 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x +1 weg!

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

Wir multiplizieren den Nenner 2( x +3 ) weg!

2 x 2 +4x +2 2( x +3 ) +2x -6x -1 -6 = 0 |⋅( 2( x +3 ) )
2 x 2 +4x +2 2( x +3 ) · ( 2( x +3 ) ) + 2x · ( 2( x +3 ) ) -6x · ( 2( x +3 ) ) -1 · ( 2( x +3 ) ) -6 · ( 2( x +3 ) ) = 0
2 x 2 +4x +2 +4 x ( x +3 )-12 x ( x +3 ) -2x -6 -12x -36 = 0
2 x 2 +4x +2 + ( 4 x 2 +12x ) + ( -12 x 2 -36x ) -2x -6 -12x -36 = 0
-6 x 2 -34x -40 = 0
-6 x 2 -34x -40 = 0 |:2

-3 x 2 -17x -20 = 0

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

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

x1,2 = +17 ± ( -17 ) 2 -4 · ( -3 ) · ( -20 ) 2( -3 )

x1,2 = +17 ± 289 -240 -6

x1,2 = +17 ± 49 -6

x1 = 17 + 49 -6 = 17 +7 -6 = 24 -6 = -4

x2 = 17 - 49 -6 = 17 -7 -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 -17x -20 = 0 |: -3

x 2 + 17 3 x + 20 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 = ( 17 6 ) 2 - ( 20 3 ) = 289 36 - 20 3 = 289 36 - 240 36 = 49 36

x1,2 = - 17 6 ± 49 36

x1 = - 17 6 - 7 6 = - 24 6 = -4

x2 = - 17 6 + 7 6 = - 10 6 = -1.6666666666667

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -4 ; - 5 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 - x 2 -25x +25 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 - x 2 -25x +25 = 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 25 .

1 ist eine Lösung, denn 1 3 - 1 2 -251 +25 = 0.

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

( x 3 - x 2 -25x +25 ) : (x-1) = x 2 +0 -25
-( x 3 - x 2 )
0 -25x
-(0 0)
-25x +25
-( -25x +25 )
0

es gilt also:

x 3 - x 2 -25x +25 = ( x 2 +0 -25 ) · ( x -1 )

( x 2 +0 -25 ) · ( x -1 ) = 0
( x 2 -25 ) ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -25 = 0 | +25
x 2 = 25 | 2
x1 = - 25 = -5
x2 = 25 = 5

2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -5

Polynomdivision mit 5

L={ -5 ; 1 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | -4x +8 | -7 = -11

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- 1 3 | -4x +8 | -7 = -11 | +7
- 1 3 | -4x +8 | = -4 |⋅ ( -3 )
| -4x +8 | = 12

1. Fall: -4x +8 ≥ 0:

-4x +8 = 12 | -8
-4x = 4 |:(-4 )
x1 = -1

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +8 ≥ 0) genügt:

-4( -1 ) +8 = 12 ≥ 0

Die Lösung -1 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -4x +8 < 0:

-( -4x +8 ) = 12
4x -8 = 12 | +8
4x = 20 |:4
x2 = 5

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +8 < 0) genügt:

-45 +8 = -12 < 0

Die Lösung 5 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -1 ; 5 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 -5 t x -2 t ) · e 1 2 x genau 0 Nullstellen?

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Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 -5 t x -2 t ) · e 1 2 x genau dann = 0, wenn x 2 -5 t x -2 t = 0 oder e 1 2 x = 0 gilt:

Da ja aber e 1 2 x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 -5 t x -2 t zu untersuchen:

x 2 -5 t x -2 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 · ( -2 t ) 21 = +5 t ± 25 t 2 +8 t 2

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

  • Ist 25 t 2 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 t 2 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 t 2 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 t 2 +8 t = 0 wird.

25 t 2 +8t = 0
t ( 25t +8 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

25t +8 = 0 | -8
25t = -8 |:25
t2 = - 8 25 = -0.32

Da bei 25 t 2 +8 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 25 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 - 8 25 < t < 0 , also für t > - 8 25 und t < 0 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.