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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 6x -30 e 2x und g(x)= e 4x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 6x -30 e 2x = e 4x | - e 4x
e 6x - e 4x -30 e 2x = 0
( e 4x - e 2x -30 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 4x - e 2x -30 = 0

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

Setze u = e 2x

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 2x = 6

e 2x = 6 |ln(⋅)
2x = ln( 6 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 6 ) ≈ 0.8959

u2: e 2x = -5

e 2x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 6 ) }

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

x1 = 1 2 ln( 6 ) : f( 1 2 ln( 6 ) )= e 4( 1 2 ln( 6 ) ) = 36 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 6 ) |36)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

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

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

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

f'(x)= x 4 -5 x 2

Also muss gelten:

x 4 -5 x 2 = -4 | +4
x 4 -5 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 -5u +4 = 0

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

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

u1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · 4 21

u1,2 = +5 ± 25 -16 2

u1,2 = +5 ± 9 2

u1 = 5 + 9 2 = 5 +3 2 = 8 2 = 4

u2 = 5 - 9 2 = 5 -3 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 - 4 = 25 4 - 4 = 25 4 - 16 4 = 9 4

x1,2 = 5 2 ± 9 4

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

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

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = 1

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

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

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

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 7x -7 e x = -6 e 4x

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e 7x -7 e x = -6 e 4x | +6 e 4x
e 7x +6 e 4x -7 e x = 0
( e 6x +6 e 3x -7 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 6x +6 e 3x -7 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +6u -7 = 0

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

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

u1,2 = -6 ± 6 2 -4 · 1 · ( -7 ) 21

u1,2 = -6 ± 36 +28 2

u1,2 = -6 ± 64 2

u1 = -6 + 64 2 = -6 +8 2 = 2 2 = 1

u2 = -6 - 64 2 = -6 -8 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 = 3 2 - ( -7 ) = 9+ 7 = 16

x1,2 = -3 ± 16

x1 = -3 - 4 = -7

x2 = -3 + 4 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 3x = -7

e 3x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3x +8 + 2x +2 x +2 + -4x 3x +8 = 0

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D=R\{ - 8 3 ; -2 }

x 3x +8 + 2x +2 x +2 - 4x 3x +8 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +8 weg!

x 3x +8 + 2x +2 x +2 - 4x 3x +8 = 0 |⋅( 3x +8 )
x 3x +8 · ( 3x +8 ) + 2x +2 x +2 · ( 3x +8 )- 4x 3x +8 · ( 3x +8 ) = 0
x + ( 2x +2 ) ( 3x +8 ) x +2 -4x = 0
x + 6 x 2 +22x +16 x +2 -4x = 0
6 x 2 +22x +16 x +2 + x -4x = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +2 weg!

6 x 2 +22x +16 x +2 + x -4x = 0 |⋅( x +2 )
6 x 2 +22x +16 x +2 · ( x +2 ) + x · ( x +2 ) -4x · ( x +2 ) = 0
6 x 2 +22x +16 + x ( x +2 )-4 x ( x +2 ) = 0
6 x 2 +22x +16 + ( x 2 +2x ) + ( -4 x 2 -8x ) = 0
3 x 2 +16x +16 = 0

3 x 2 +16x +16 = 0

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

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

x1,2 = -16 ± 16 2 -4 · 3 · 16 23

x1,2 = -16 ± 256 -192 6

x1,2 = -16 ± 64 6

x1 = -16 + 64 6 = -16 +8 6 = -8 6 = - 4 3 ≈ -1.33

x2 = -16 - 64 6 = -16 -8 6 = -24 6 = -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 "3 " teilen:

3 x 2 +16x +16 = 0 |: 3

x 2 + 16 3 x + 16 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 = ( 8 3 ) 2 - ( 16 3 ) = 64 9 - 16 3 = 64 9 - 48 9 = 16 9

x1,2 = - 8 3 ± 16 9

x1 = - 8 3 - 4 3 = - 12 3 = -4

x2 = - 8 3 + 4 3 = - 4 3 = -1.3333333333333

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -4 ; - 4 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -14 x 2 +49x -36 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -14 x 2 +49x -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 3 -14 1 2 +491 -36 = 0.

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

( x 3 -14 x 2 +49x -36 ) : (x-1) = x 2 -13x +36
-( x 3 - x 2 )
-13 x 2 +49x
-( -13 x 2 +13x )
36x -36
-( 36x -36 )
0

es gilt also:

x 3 -14 x 2 +49x -36 = ( x 2 -13x +36 ) · ( x -1 )

( x 2 -13x +36 ) ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -13x +36 = 0

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

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

x1,2 = +13 ± ( -13 ) 2 -4 · 1 · 36 21

x1,2 = +13 ± 169 -144 2

x1,2 = +13 ± 25 2

x1 = 13 + 25 2 = 13 +5 2 = 18 2 = 9

x2 = 13 - 25 2 = 13 -5 2 = 8 2 = 4

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 = ( - 13 2 ) 2 - 36 = 169 4 - 36 = 169 4 - 144 4 = 25 4

x1,2 = 13 2 ± 25 4

x1 = 13 2 - 5 2 = 8 2 = 4

x2 = 13 2 + 5 2 = 18 2 = 9


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit 4

Polynomdivision mit 9

L={ 1 ; 4 ; 9 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 2 | -4x +16 | +6 = 18

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1 2 | -4x +16 | +6 = 18 | -6
1 2 | -4x +16 | = 12 |⋅2
| -4x +16 | = 24

1. Fall: -4x +16 ≥ 0:

-4x +16 = 24 | -16
-4x = 8 |:(-4 )
x1 = -2

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +16 ≥ 0) genügt:

-4( -2 ) +16 = 24 ≥ 0

Die Lösung -2 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -4x +16 < 0:

-( -4x +16 ) = 24
4x -16 = 24 | +16
4x = 40 |:4
x2 = 10

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -4x +16 < 0) genügt:

-410 +16 = -24 < 0

Die Lösung 10 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -2 ; 10 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= 4 x 2 +5 t genau 0 Nullstellen?

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

4 x 2 +5 t = 0 | - ( 5 t )
4 x 2 = -5 t |:4
x 2 = - 5 4 t | 2
x1 = - ( - 5 4 t ) = - ( - 5 4 t )
x2 = ( - 5 4 t ) = ( - 5 4 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 0 Lösung(en).