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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= -14 e -2x +1 und g(x)= -5 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

-14 e -2x +1 = -5 e -x | +5 e -x
5 e -x -14 e -2x +1 = 0

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

5 e -x -14 e -2x +1 = 0 |⋅ e 2x
e 2x +5 e x -14 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +5u -14 = 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 · ( -14 ) 21

u1,2 = -5 ± 25 +56 2

u1,2 = -5 ± 81 2

u1 = -5 + 81 2 = -5 +9 2 = 4 2 = 2

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

x1,2 = - 5 2 ± 81 4

x1 = - 5 2 - 9 2 = - 14 2 = -7

x2 = - 5 2 + 9 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e x = 2

e x = 2 |ln(⋅)
x1 = ln( 2 ) ≈ 0.6931

u2: e x = -7

e x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

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

x1 = ln( 2 ) : f( ln( 2 ) )= -5 e -( ln( 2 ) ) = -2.5 Somit gilt: S1( ln( 2 ) |-2.5)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 5 x 5 - 10 3 x 3 parallel zur Geraden y = -9x +7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -9x +7 gilt m = -9

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

f(x)= 1 5 x 5 - 10 3 x 3

f'(x)= x 4 -10 x 2

Also muss gelten:

x 4 -10 x 2 = -9 | +9
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

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

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -9 und sind somit parallel zur Geraden y = -9x +7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( -6 e 6x +3 ) · ( x 4 + x 3 ) = 0

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

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

1. Fall:

-6 e 6x +3 = 0 | -3
-6 e 6x = -3 |:-6
e 6x = 1 2 |ln(⋅)
6x = ln( 1 2 ) |:6
x1 = 1 6 ln( 1 2 ) ≈ -0.1155

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={ -1 ; 1 6 ln( 1 2 ) ; 0}

0 ist 3-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 2x -4 + 2x -2 3x -10 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 10 3 }

2x 2x -4 + 2x -2 3x -10 -5 = 0
2x 2( x -2 ) + 2x -2 3x -10 -5 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

2x 2( x -2 ) + 2x -2 3x -10 -5 = 0 |⋅( x -2 )
2x 2( x -2 ) · ( x -2 ) + 2x -2 3x -10 · ( x -2 ) -5 · ( x -2 ) = 0
x + ( 2x -2 ) ( x -2 ) 3x -10 -5x +10 = 0
x + 2 x 2 -6x +4 3x -10 -5x +10 = 0
2 x 2 -6x +4 3x -10 + x -5x +10 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x -10 weg!

2 x 2 -6x +4 3x -10 + x -5x +10 = 0 |⋅( 3x -10 )
2 x 2 -6x +4 3x -10 · ( 3x -10 ) + x · ( 3x -10 ) -5x · ( 3x -10 ) + 10 · ( 3x -10 ) = 0
2 x 2 -6x +4 + x ( 3x -10 )-5 x ( 3x -10 ) +30x -100 = 0
2 x 2 -6x +4 + ( 3 x 2 -10x ) + ( -15 x 2 +50x ) +30x -100 = 0
-10 x 2 +64x -96 = 0
-10 x 2 +64x -96 = 0 |:2

-5 x 2 +32x -48 = 0

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

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

x1,2 = -32 ± 32 2 -4 · ( -5 ) · ( -48 ) 2( -5 )

x1,2 = -32 ± 1024 -960 -10

x1,2 = -32 ± 64 -10

x1 = -32 + 64 -10 = -32 +8 -10 = -24 -10 = 2,4

x2 = -32 - 64 -10 = -32 -8 -10 = -40 -10 = 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 "-5 " teilen:

-5 x 2 +32x -48 = 0 |: -5

x 2 - 32 5 x + 48 5 = 0

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

D = ( - 16 5 ) 2 - ( 48 5 ) = 256 25 - 48 5 = 256 25 - 240 25 = 16 25

x1,2 = 16 5 ± 16 25

x1 = 16 5 - 4 5 = 12 5 = 2.4

x2 = 16 5 + 4 5 = 20 5 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 2,4 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 -5 x 3 +20x -16 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 -5 x 3 +20x -16 = 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 -16 .

1 ist eine Lösung, denn 1 4 -5 1 3 +201 -16 = 0.

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

( x 4 -5 x 3 +20x -16 ) : (x-1) = x 3 -4 x 2 -4x +16
-( x 4 - x 3 )
-4 x 3 0
-( -4 x 3 +4 x 2 )
-4 x 2 +20x
-( -4 x 2 +4x )
16x -16
-( 16x -16 )
0

es gilt also:

x 4 -5 x 3 +20x -16 = ( x 3 -4 x 2 -4x +16 ) · ( x -1 )

( x 3 -4 x 2 -4x +16 ) ( 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 -4 x 2 -4x +16 = 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 16 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 -4 ( -2 ) 2 -4( -2 ) +16 = 0.

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

( x 3 -4 x 2 -4x +16 ) : (x+2) = x 2 -6x +8
-( x 3 +2 x 2 )
-6 x 2 -4x
-( -6 x 2 -12x )
8x +16
-( 8x +16 )
0

es gilt also:

x 3 -4 x 2 -4x +16 = ( x 2 -6x +8 ) · ( x +2 )

( x 2 -6x +8 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -6x +8 = 0

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

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

x1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · 8 21

x1,2 = +6 ± 36 -32 2

x1,2 = +6 ± 4 2

x1 = 6 + 4 2 = 6 +2 2 = 8 2 = 4

x2 = 6 - 4 2 = 6 -2 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 = ( -3 ) 2 - 8 = 9 - 8 = 1

x1,2 = 3 ± 1

x1 = 3 - 1 = 2

x2 = 3 + 1 = 4


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 2

Polynomdivision mit 4


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x4 = 1

L={ -2 ; 1 ; 2 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| x +3 | -3 = 2

Lösung einblenden
| x +3 | -3 = 2 | +3
| x +3 | = 5

1. Fall: x +3 ≥ 0:

x +3 = 5 | -3
x1 = 2

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

2 +3 = 5 ≥ 0

Die Lösung 2 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: x +3 < 0:

-( x +3 ) = 5
-x -3 = 5 | +3
-x = 8 |:(-1 )
x2 = -8

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

-8 +3 = -5 < 0

Die Lösung -8 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -8 ; 2 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

x1,2 = - t ± ( t ) 2 -4 · 1 · 2 t 21 = - t ± t 2 -8 t 2

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

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

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

t 2 -8t = 0
t ( t -8 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t -8 = 0 | +8
t2 = 8

Für t = 0 oder für t = 8 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.