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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 5x -28 e x und g(x)= 3 e 3x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 5x -28 e x = 3 e 3x | -3 e 3x
e 5x -3 e 3x -28 e x = 0
( e 4x -3 e 2x -28 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 4x -3 e 2x -28 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -3u -28 = 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 · ( -28 ) 21

u1,2 = +3 ± 9 +112 2

u1,2 = +3 ± 121 2

u1 = 3 + 121 2 = 3 +11 2 = 14 2 = 7

u2 = 3 - 121 2 = 3 -11 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 = ( - 3 2 ) 2 - ( -28 ) = 9 4 + 28 = 9 4 + 112 4 = 121 4

x1,2 = 3 2 ± 121 4

x1 = 3 2 - 11 2 = - 8 2 = -4

x2 = 3 2 + 11 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 = -4

e 2x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 7 ) }

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

x1 = 1 2 ln( 7 ) : f( 1 2 ln( 7 ) )= 3 e 3( 1 2 ln( 7 ) ) = 55.561 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 7 ) |55.561)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -2 gilt m = 0

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

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

f'(x)= x 4 - x 2

Also muss gelten:

x 4 - x 2 = 0
x 2 ( x 2 -1 ) = 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 2 -1 = 0 | +1
x 2 = 1 | 2
x2 = - 1 = -1
x3 = 1 = 1

L={ -1 ; 0; 1 }

0 ist 2-fache Lösung!

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 0 und sind somit parallel zur Geraden y = -2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( 3 e 6x -3 ) · ( x 3 -16x ) = 0

Lösung einblenden
( 3 e 6x -3 ) ( x 3 -16x ) = 0

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

1. Fall:

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

2. Fall:

x 3 -16x = 0
x ( x 2 -16 ) = 0

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

1. Fall:

x2 = 0

2. Fall:

x 2 -16 = 0 | +16
x 2 = 16 | 2
x3 = - 16 = -4
x4 = 16 = 4

L={ -4 ; 0; 4 }

0 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

8x x -1 + 4x 3x +1 -6 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ - 1 3 ; 1 }

4x 3x +1 + 8x x -1 -6 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +1 weg!

4x 3x +1 + 8x x -1 -6 = 0 |⋅( 3x +1 )
4x 3x +1 · ( 3x +1 ) + 8x x -1 · ( 3x +1 ) -6 · ( 3x +1 ) = 0
4x + 8 x ( 3x +1 ) x -1 -18x -6 = 0
4x + 24 x 2 +8x x -1 -18x -6 = 0
24 x 2 +8x x -1 +4x -18x -6 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

24 x 2 +8x x -1 +4x -18x -6 = 0 |⋅( x -1 )
24 x 2 +8x x -1 · ( x -1 ) + 4x · ( x -1 ) -18x · ( x -1 ) -6 · ( x -1 ) = 0
24 x 2 +8x +4 x ( x -1 )-18 x ( x -1 ) -6x +6 = 0
24 x 2 +8x + ( 4 x 2 -4x ) + ( -18 x 2 +18x ) -6x +6 = 0
10 x 2 +16x +6 = 0
10 x 2 +16x +6 = 0 |:2

5 x 2 +8x +3 = 0

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

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

x1,2 = -8 ± 8 2 -4 · 5 · 3 25

x1,2 = -8 ± 64 -60 10

x1,2 = -8 ± 4 10

x1 = -8 + 4 10 = -8 +2 10 = -6 10 = -0,6

x2 = -8 - 4 10 = -8 -2 10 = -10 10 = -1

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 +8x +3 = 0 |: 5

x 2 + 8 5 x + 3 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 = ( 4 5 ) 2 - ( 3 5 ) = 16 25 - 3 5 = 16 25 - 15 25 = 1 25

x1,2 = - 4 5 ± 1 25

x1 = - 4 5 - 1 5 = - 5 5 = -1

x2 = - 4 5 + 1 5 = - 3 5 = -0.6

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; -0,6 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 +4 x 3 -16x -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 ) 4 +4 ( -2 ) 3 -16( -2 ) -16 = 0.

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

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

es gilt also:

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

( x 3 +2 x 2 -4x -8 ) ( x +2 ) = 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 +2 x 2 -4x -8 = 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 -8 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 +2 ( -2 ) 2 -4( -2 ) -8 = 0.

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

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

es gilt also:

x 3 +2 x 2 -4x -8 = ( x 2 +0 -4 ) · ( x +2 )

( x 2 +0 -4 ) · ( x +2 ) = 0
( x 2 -4 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -4 = 0 | +4
x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

2. Fall:

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

Polynomdivision mit 2


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 2

L={ -2 ; 2 }

-2 ist 3-fache Lösung!

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

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1 2 | 4x -4 | +2 = 18 | -2
1 2 | 4x -4 | = 16 |⋅2
| 4x -4 | = 32

1. Fall: 4x -4 ≥ 0:

4x -4 = 32 | +4
4x = 36 |:4
x1 = 9

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

49 -4 = 32 ≥ 0

Die Lösung 9 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x -4 < 0:

-( 4x -4 ) = 32
-4x +4 = 32 | -4
-4x = 28 |:(-4 )
x2 = -7

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

4( -7 ) -4 = -32 < 0

Die Lösung -7 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -7 ; 9 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 +2x +2 t ) · e - 1 3 x genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 +2x +2 t ) · e - 1 3 x genau dann = 0, wenn x 2 +2x +2 t = 0 oder e - 1 3 x = 0 gilt:

Da ja aber e - 1 3 x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 +2x +2 t zu untersuchen:

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

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

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

  • Ist 4 -8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 4 -8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 4 -8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 4 -8 t = 0 wird.

4 -8t = 0
-8t +4 = 0 | -4
-8t = -4 |:(-8 )
t = 1 2 = 0.5

Da rechts der Nullstelle t= 1 2 beispielsweise für t = 2 der Radikand 4 -82 = -12 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 4 -8 t für t > 1 2 kleiner 0 und für t < 1 2 größer 0

Für t < 1 2 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.