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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 8 -8 x 2 und g(x)= 7 x 5 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 8 -8 x 2 = 7 x 5 | -7 x 5
x 8 -7 x 5 -8 x 2 = 0
x 2 ( x 6 -7 x 3 -8 ) = 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 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
x2 = 8 3 = 2

u2: x 3 = -1

x 3 = -1 | 3
x3 = - 1 3 = -1

L={ -1 ; 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 = -1 : f( -1 )= 7 ( -1 ) 5 = -7 Somit gilt: S1( -1 |-7)

x2 = 0: f(0)= 7 0 5 = 0 Somit gilt: S2(0|0)

x3 = 2 : f( 2 )= 7 2 5 = 224 Somit gilt: S3( 2 |224)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 7 x 7 + 9 4 x 4 parallel zur Geraden y = -8x -4 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -8x -4 gilt m = -8

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

f(x)= 1 7 x 7 + 9 4 x 4

f'(x)= x 6 +9 x 3

Also muss gelten:

x 6 +9 x 3 = -8 | +8
x 6 +9 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 +9u +8 = 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 · 8 21

u1,2 = -9 ± 81 -32 2

u1,2 = -9 ± 49 2

u1 = -9 + 49 2 = -9 +7 2 = -2 2 = -1

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

x1,2 = - 9 2 ± 49 4

x1 = - 9 2 - 7 2 = - 16 2 = -8

x2 = - 9 2 + 7 2 = - 2 2 = -1

Rücksubstitution:

u1: x 3 = -1

x 3 = -1 | 3
x1 = - 1 3 = -1

u2: x 3 = -8

x 3 = -8 | 3
x2 = - 8 3 = -2

L={ -2 ; -1 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -8 und sind somit parallel zur Geraden y = -8x -4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 2x +3 e x -4 = 0

Lösung einblenden
e 2x +3 e x -4 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +3u -4 = 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 · ( -4 ) 21

u1,2 = -3 ± 9 +16 2

u1,2 = -3 ± 25 2

u1 = -3 + 25 2 = -3 +5 2 = 2 2 = 1

u2 = -3 - 25 2 = -3 -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 = ( 3 2 ) 2 - ( -4 ) = 9 4 + 4 = 9 4 + 16 4 = 25 4

x1,2 = - 3 2 ± 25 4

x1 = - 3 2 - 5 2 = - 8 2 = -4

x2 = - 3 2 + 5 2 = 2 2 = 1

Rücksubstitution:

u1: e x = 1

e x = 1 |ln(⋅)
x1 = 0 ≈ 0

u2: e x = -4

e x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; 0}

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

Wir multiplizieren den Nenner 2( x -1 ) weg!

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

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

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

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

x1,2 = -8 ± 64 -48 -6

x1,2 = -8 ± 16 -6

x1 = -8 + 16 -6 = -8 +4 -6 = -4 -6 = 2 3 ≈ 0.67

x2 = -8 - 16 -6 = -8 -4 -6 = -12 -6 = 2

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 +8x -4 = 0 |: -3

x 2 - 8 3 x + 4 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 = ( - 4 3 ) 2 - ( 4 3 ) = 16 9 - 4 3 = 16 9 - 12 9 = 4 9

x1,2 = 4 3 ± 4 9

x1 = 4 3 - 2 3 = 2 3 = 0.66666666666667

x2 = 4 3 + 2 3 = 6 3 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 2 3 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +3 x 2 -61x -63 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +3 x 2 -61x -63 = 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 -63 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 +3 ( -1 ) 2 -61( -1 ) -63 = 0.

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

( x 3 +3 x 2 -61x -63 ) : (x+1) = x 2 +2x -63
-( x 3 + x 2 )
2 x 2 -61x
-( 2 x 2 +2x )
-63x -63
-( -63x -63 )
0

es gilt also:

x 3 +3 x 2 -61x -63 = ( x 2 +2x -63 ) · ( x +1 )

( x 2 +2x -63 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +2x -63 = 0

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

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

x1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -63 ) 21

x1,2 = -2 ± 4 +252 2

x1,2 = -2 ± 256 2

x1 = -2 + 256 2 = -2 +16 2 = 14 2 = 7

x2 = -2 - 256 2 = -2 -16 2 = -18 2 = -9

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 - ( -63 ) = 1+ 63 = 64

x1,2 = -1 ± 64

x1 = -1 - 8 = -9

x2 = -1 + 8 = 7


2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x3 = -1

Polynomdivision mit 7

Polynomdivision mit -9

L={ -9 ; -1 ; 7 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 2 | 4x -16 | +6 = 26

Lösung einblenden
1 2 | 4x -16 | +6 = 26 | -6
1 2 | 4x -16 | = 20 |⋅2
| 4x -16 | = 40

1. Fall: 4x -16 ≥ 0:

4x -16 = 40 | +16
4x = 56 |:4
x1 = 14

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

414 -16 = 40 ≥ 0

Die Lösung 14 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x -16 < 0:

-( 4x -16 ) = 40
-4x +16 = 40 | -16
-4x = 24 |:(-4 )
x2 = -6

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

4( -6 ) -16 = -40 < 0

Die Lösung -6 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -6 ; 14 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= x 2 -4x +3 t genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

x1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 1 · 3 t 21 = +4 ± 16 -12 t 2

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

  • Ist 16 -12 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 16 -12 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 16 -12 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 16 -12 t = 0 wird.

16 -12t = 0
-12t +16 = 0 | -16
-12t = -16 |:(-12 )
t = 4 3

Da rechts der Nullstelle t= 4 3 beispielsweise für t = 2 der Radikand 16 -122 = -8 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 16 -12 t für t > 4 3 kleiner 0 und für t < 4 3 größer 0

Für t > 4 3 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.