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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= -3 e -x +1 und g(x)= 28 e -2x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

-3 e -x +1 = 28 e -2x | -28 e -2x
-3 e -x -28 e -2x +1 = 0

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

-3 e -x -28 e -2x +1 = 0 |⋅ e 2x
e 2x -3 e x -28 = 0

Setze u = e x

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 x = 7

e x = 7 |ln(⋅)
x1 = ln( 7 ) ≈ 1.9459

u2: e x = -4

e x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 7 ) }

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

x1 = ln( 7 ) : f( ln( 7 ) )= 28 e -2( ln( 7 ) ) = 0.571 Somit gilt: S1( ln( 7 ) |0.571)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 7 x 7 parallel zur Geraden y = x +2 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = x +2 gilt m = 1

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

f(x)= 1 7 x 7

f'(x)= x 6

Also muss gelten:

x 6 = 1 | 6
x1 = - 1 6 = -1
x2 = 1 6 = 1

L={ -1 ; 1 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 1 und sind somit parallel zur Geraden y = x +2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 5x -4 e 3x -12 e x = 0

Lösung einblenden
e 5x -4 e 3x -12 e x = 0
( e 4x -4 e 2x -12 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 4x -4 e 2x -12 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -4u -12 = 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 · ( -12 ) 21

u1,2 = +4 ± 16 +48 2

u1,2 = +4 ± 64 2

u1 = 4 + 64 2 = 4 +8 2 = 12 2 = 6

u2 = 4 - 64 2 = 4 -8 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 = ( -2 ) 2 - ( -12 ) = 4+ 12 = 16

x1,2 = 2 ± 16

x1 = 2 - 4 = -2

x2 = 2 + 4 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 6

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

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 2x +3 + 4x 3x +6 -6 = 0

Lösung einblenden

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

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

Wir multiplizieren den Nenner 3( x +2 ) weg!

4x 3( x +2 ) + 2x 2x +3 -6 = 0 |⋅( 3( x +2 ) )
4x 3( x +2 ) · ( 3( x +2 ) ) + 2x 2x +3 · ( 3( x +2 ) ) -6 · ( 3( x +2 ) ) = 0
4x +3 2 x ( x +2 ) 2x +3 -18x -36 = 0
4x + 3( 2 x 2 +4x ) 2x +3 -18x -36 = 0
3( 2 x 2 +4x ) 2x +3 +4x -18x -36 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x +3 weg!

3( 2 x 2 +4x ) 2x +3 +4x -18x -36 = 0 |⋅( 2x +3 )
3( 2 x 2 +4x ) 2x +3 · ( 2x +3 ) + 4x · ( 2x +3 ) -18x · ( 2x +3 ) -36 · ( 2x +3 ) = 0
6 x 2 +12x +4 x ( 2x +3 )-18 x ( 2x +3 ) -72x -108 = 0
6 x 2 +12x + ( 8 x 2 +12x ) + ( -36 x 2 -54x ) -72x -108 = 0
-22 x 2 -102x -108 = 0
-22 x 2 -102x -108 = 0 |:2

-11 x 2 -51x -54 = 0

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

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

x1,2 = +51 ± ( -51 ) 2 -4 · ( -11 ) · ( -54 ) 2( -11 )

x1,2 = +51 ± 2601 -2376 -22

x1,2 = +51 ± 225 -22

x1 = 51 + 225 -22 = 51 +15 -22 = 66 -22 = -3

x2 = 51 - 225 -22 = 51 -15 -22 = 36 -22 = - 18 11

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 "-11 " teilen:

-11 x 2 -51x -54 = 0 |: -11

x 2 + 51 11 x + 54 11 = 0

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

D = ( 51 22 ) 2 - ( 54 11 ) = 2601 484 - 54 11 = 2601 484 - 2376 484 = 225 484

x1,2 = - 51 22 ± 225 484

x1 = - 51 22 - 15 22 = - 66 22 = -3

x2 = - 51 22 + 15 22 = - 36 22 = -1.6363636363636

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; - 18 11 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -3 x 2 -49x -45 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -3 x 2 -49x -45 = 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 -45 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 -3 ( -1 ) 2 -49( -1 ) -45 = 0.

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

( x 3 -3 x 2 -49x -45 ) : (x+1) = x 2 -4x -45
-( x 3 + x 2 )
-4 x 2 -49x
-( -4 x 2 -4x )
-45x -45
-( -45x -45 )
0

es gilt also:

x 3 -3 x 2 -49x -45 = ( x 2 -4x -45 ) · ( x +1 )

( x 2 -4x -45 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -4x -45 = 0

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

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

x1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 1 · ( -45 ) 21

x1,2 = +4 ± 16 +180 2

x1,2 = +4 ± 196 2

x1 = 4 + 196 2 = 4 +14 2 = 18 2 = 9

x2 = 4 - 196 2 = 4 -14 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 = ( -2 ) 2 - ( -45 ) = 4+ 45 = 49

x1,2 = 2 ± 49

x1 = 2 - 7 = -5

x2 = 2 + 7 = 9


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -5

Polynomdivision mit 9

L={ -5 ; -1 ; 9 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | -2x -10 | -7 = -15

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- | -2x -10 | -7 = -15 | +7
- | -2x -10 | = -8 |: ( -1 )
| -2x -10 | = 8

1. Fall: -2x -10 ≥ 0:

-2x -10 = 8 | +10
-2x = 18 |:(-2 )
x1 = -9

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -10 ≥ 0) genügt:

-2( -9 ) -10 = 8 ≥ 0

Die Lösung -9 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x -10 < 0:

-( -2x -10 ) = 8
2x +10 = 8 | -10
2x = -2 |:2
x2 = -1

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -10 < 0) genügt:

-2( -1 ) -10 = -8 < 0

Die Lösung -1 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -9 ; -1 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

ln( x 2 -5x -4 t ) = 0

x 2 -5x -4 t = 1 |-1

x 2 -5x -4 t - 1 = 0

x 2 -5x + ( -4t -1 ) =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( -4t -1 ) 21 = +5 ± 25 + 16t +4 2

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

  • Ist 25 + 16t +4 > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 + 16t +4 = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 + 16t +4 <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 + 16t +4 = 0 wird.

25 +16t +4 = 0
16t +29 = 0 | -29
16t = -29 |:16
t = - 29 16

Da rechts der Nullstelle t= - 29 16 beispielsweise für t = -1 der Radikand 25 + ( 16( -1 ) +4 ) = 13 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 25 + 16t +4 für t > - 29 16 größer 0 und für t < - 29 16 kleiner 0

Für t > - 29 16 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.