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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 - 8 x 2 und g(x)= 7x . 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 2 weg!

x 4 - 8 x 2 = 7x |⋅( x 2 )
x 4 · x 2 - 8 x 2 · x 2 = 7x · x 2
x 4 · x 2 -8 = 7 x · x 2
x 6 -8 = 7 x · x 2
x 6 -8 = 7 x 3
x 6 -8 = 7 x 3 | -7 x 3
x 6 -7 x 3 -8 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -7u -8 = 0

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

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

u1,2 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · 1 · ( -8 ) 21

u1,2 = +7 ± 49 +32 2

u1,2 = +7 ± 81 2

u1 = 7 + 81 2 = 7 +9 2 = 16 2 = 8

u2 = 7 - 81 2 = 7 -9 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 = ( - 7 2 ) 2 - ( -8 ) = 49 4 + 8 = 49 4 + 32 4 = 81 4

x1,2 = 7 2 ± 81 4

x1 = 7 2 - 9 2 = - 2 2 = -1

x2 = 7 2 + 9 2 = 16 2 = 8

Rücksubstitution:

u1: x 3 = 8

x 3 = 8 | 3
x1 = 8 3 = 2

u2: x 3 = -1

x 3 = -1 | 3
x2 = - 1 3 = -1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 2 }

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

x1 = -1 : f( -1 )= 7( -1 ) = -7 Somit gilt: S1( -1 |-7)

x2 = 2 : f( 2 )= 72 = 14 Somit gilt: S2( 2 |14)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x - 9 2 e 2x parallel zur Geraden y = -14x -4 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -14x -4 gilt m = -14

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

f(x)= 1 4 e 4x - 9 2 e 2x

f'(x)= e 4x -9 e 2x

Also muss gelten:

e 4x -9 e 2x = -14 | +14
e 4x -9 e 2x +14 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -9u +14 = 0

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

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

u1,2 = +9 ± ( -9 ) 2 -4 · 1 · 14 21

u1,2 = +9 ± 81 -56 2

u1,2 = +9 ± 25 2

u1 = 9 + 25 2 = 9 +5 2 = 14 2 = 7

u2 = 9 - 25 2 = 9 -5 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 = ( - 9 2 ) 2 - 14 = 81 4 - 14 = 81 4 - 56 4 = 25 4

x1,2 = 9 2 ± 25 4

x1 = 9 2 - 5 2 = 4 2 = 2

x2 = 9 2 + 5 2 = 14 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 7

e 2x = 7 |ln(⋅)
2x = ln( 7 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 7 ) ≈ 0.973

u2: e 2x = 2

e 2x = 2 |ln(⋅)
2x = ln( 2 ) |:2
x2 = 1 2 ln( 2 ) ≈ 0.3466

L={ 1 2 ln( 2 ) ; 1 2 ln( 7 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -14 und sind somit parallel zur Geraden y = -14x -4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4 x 3 -32x = - x 5

Lösung einblenden
4 x 3 -32x = - x 5 | + x 5
x 5 +4 x 3 -32x = 0
x · ( x 4 +4 x 2 -32 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

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 ) 21

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
x2 = - 4 = -2
x3 = 4 = 2

u2: x 2 = -8

x 2 = -8 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 0; 2 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 2x -6 + x 2x -4 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 3 }

x 2x -4 + 2x 2x -6 -5 = 0
x 2( x -2 ) + 2x 2( x -3 ) -5 = 0 |(Nenner faktorisiert)

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

x 2( x -2 ) + 2x 2( x -3 ) -5 = 0 |⋅( 2( x -2 ) )
x 2( x -2 ) · ( 2( x -2 ) ) + 2x 2( x -3 ) · ( 2( x -2 ) ) -5 · ( 2( x -2 ) ) = 0
x +2 x · ( x -2 ) x -3 -10x +20 = 0
x + 2( x 2 -2x ) x -3 -10x +20 = 0
2( x 2 -2x ) x -3 + x -10x +20 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -3 weg!

2( x 2 -2x ) x -3 + x -10x +20 = 0 |⋅( x -3 )
2( x 2 -2x ) x -3 · ( x -3 ) + x · ( x -3 ) -10x · ( x -3 ) + 20 · ( x -3 ) = 0
2 x 2 -4x + x · ( x -3 )-10 x · ( x -3 ) +20x -60 = 0
2 x 2 -4x + ( x 2 -3x ) + ( -10 x 2 +30x ) +20x -60 = 0
-7 x 2 +43x -60 = 0

-7 x 2 +43x -60 = 0

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

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

x1,2 = -43 ± 43 2 -4 · ( -7 ) · ( -60 ) 2( -7 )

x1,2 = -43 ± 1849 -1680 -14

x1,2 = -43 ± 169 -14

x1 = -43 + 169 -14 = -43 +13 -14 = -30 -14 = 15 7 ≈ 2.14

x2 = -43 - 169 -14 = -43 -13 -14 = -56 -14 = 4

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 "-7 " teilen:

-7 x 2 +43x -60 = 0 |: -7

x 2 - 43 7 x + 60 7 = 0

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

D = ( - 43 14 ) 2 - ( 60 7 ) = 1849 196 - 60 7 = 1849 196 - 1680 196 = 169 196

x1,2 = 43 14 ± 169 196

x1 = 43 14 - 13 14 = 30 14 = 2.1428571428571

x2 = 43 14 + 13 14 = 56 14 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 15 7 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -6 x 2 -19x +24 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -6 x 2 -19x +24 = 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 24 .

1 ist eine Lösung, denn 1 3 -6 1 2 -191 +24 = 0.

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

( x 3 -6 x 2 -19x +24 ) : (x-1) = x 2 -5x -24
-( x 3 - x 2 )
-5 x 2 -19x
-( -5 x 2 +5x )
-24x +24
-( -24x +24 )
0

es gilt also:

x 3 -6 x 2 -19x +24 = ( x 2 -5x -24 ) · ( x -1 )

( x 2 -5x -24 ) · ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -5x -24 = 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 · ( -24 ) 21

x1,2 = +5 ± 25 +96 2

x1,2 = +5 ± 121 2

x1 = 5 + 121 2 = 5 +11 2 = 16 2 = 8

x2 = 5 - 121 2 = 5 -11 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 = ( - 5 2 ) 2 - ( -24 ) = 25 4 + 24 = 25 4 + 96 4 = 121 4

x1,2 = 5 2 ± 121 4

x1 = 5 2 - 11 2 = - 6 2 = -3

x2 = 5 2 + 11 2 = 16 2 = 8


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -3

Polynomdivision mit 8

L={ -3 ; 1 ; 8 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden
1 3 | 2x +2 | +9 = 1 | -9
1 3 | 2x +2 | = -8 |⋅3
| 2x +2 | = -24

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 +3x +4 t ) genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

ln(u) ist genau dann = 0, wenn e0=u, also 1 = u ist:

ln( x 2 +3x +4 t ) = 0

x 2 +3x +4 t = 1 |-1

x 2 +3x +4 t - 1 = 0

x 2 +3x + 4t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( 4t -1 ) 21 = -3 ± 9 + ( -16t +4 ) 2

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

  • Ist 9 + ( -16t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 + ( -16t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 + ( -16t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 + ( -16t +4 ) = 0 wird.

9 -16t +4 = 0
-16t +13 = 0 | -13
-16t = -13 |:(-16 )
t = 13 16

Da rechts der Nullstelle t= 13 16 beispielsweise für t = 2 der Radikand 9 + ( -162 +4 ) = -19 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 9 + ( -16t +4 ) für t > 13 16 kleiner 0 und für t < 13 16 größer 0

Für t < 13 16 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.