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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 5 +6 x 3 und g(x)= 7x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 5 +6 x 3 = 7x | -7x
x 5 +6 x 3 -7x = 0
x · ( x 4 +6 x 2 -7 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 4 +6 x 2 -7 = 0

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

Setze u = x 2

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 ) 2⋅1

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: x 2 = 1

x 2 = 1 | ⋅2
x2 = - 1 = -1
x3 = 1 = 1

u2: x 2 = -7

x 2 = -7 | ⋅2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -1 ; 0; 1 }

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 ) = -7 Somit gilt: S1( -1 |-7)

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

x3 = 1 : f( 1 )= 7⋅1 = 7 Somit gilt: S3( 1 |7)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x - 3 2 e 2x parallel zur Geraden y = -2x -2 sind.

Lösung einblenden

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

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

f(x)= 1 4 e 4x - 3 2 e 2x

f'(x)= e 4x -3 e 2x

Also muss gelten:

e 4x -3 e 2x = -2 | +2
e 4x -3 e 2x +2 = 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 +2 = 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 · 2 2⋅1

u1,2 = +3 ± 9 -8 2

u1,2 = +3 ± 1 2

u1 = 3 + 1 2 = 3 +1 2 = 4 2 = 2

u2 = 3 - 1 2 = 3 -1 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 = ( - 3 2 ) 2 - 2 = 9 4 - 2 = 9 4 - 8 4 = 1 4

x1,2 = 3 2 ± 1 4

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

x2 = 3 2 + 1 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 2

e 2x = 2 |ln(⋅)
2x = ln( 2 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 2 ) ≈ 0.3466

u2: e 2x = 1

e 2x = 1 |ln(⋅)
2x = 0 |:2
x2 = 0 ≈ 0

L={0; 1 2 ln( 2 ) }

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

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 3x -42 e 2x = - e 4x

Lösung einblenden
e 3x -42 e 2x = - e 4x | + e 4x
e 4x + e 3x -42 e 2x = 0
( e 2x + e x -42 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

e 2x + e x -42 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -42 = 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 · ( -42 ) 2⋅1

u1,2 = -1 ± 1 +168 2

u1,2 = -1 ± 169 2

u1 = -1 + 169 2 = -1 +13 2 = 12 2 = 6

u2 = -1 - 169 2 = -1 -13 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 = ( 1 2 ) 2 - ( -42 ) = 1 4 + 42 = 1 4 + 168 4 = 169 4

x1,2 = - 1 2 ± 169 4

x1 = - 1 2 - 13 2 = - 14 2 = -7

x2 = - 1 2 + 13 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e x = 6

e x = 6 |ln(⋅)
x1 = ln( 6 ) ≈ 1.7918

u2: e x = -7

e x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-3 x + x -1 3x +5 -2 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ - 5 3 ; 0}

x -1 3x +5 -2 - 3 x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +5 weg!

x -1 3x +5 -2 - 3 x = 0 |⋅( 3x +5 )
x -1 3x +5 · ( 3x +5 ) -2 · ( 3x +5 ) - 3 x · ( 3x +5 ) = 0
x -1 -6x -10 -3 3x +5 x = 0
x -1 -6x -10 - 3( 3x +5 ) x = 0
- 3( 3x +5 ) x + x -6x -1 -10 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

- 3( 3x +5 ) x + x -6x -1 -10 = 0 |⋅( x )
- 3( 3x +5 ) x · x + x · x -6x · x -1 · x -10 · x = 0
-9x -15 + x · x -6 x · x - x -10x = 0
-9x -15 + x 2 -6 x 2 - x -10x = 0
-5 x 2 -20x -15 = 0
-5 x 2 -20x -15 = 0 |:5

- x 2 -4x -3 = 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 ) · ( -3 ) 2⋅( -1 )

x1,2 = +4 ± 16 -12 -2

x1,2 = +4 ± 4 -2

x1 = 4 + 4 -2 = 4 +2 -2 = 6 -2 = -3

x2 = 4 - 4 -2 = 4 -2 -2 = 2 -2 = -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 "-1 " teilen:

- x 2 -4x -3 = 0 |: -1

x 2 +4x +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 = 2 2 - 3 = 4 - 3 = 1

x1,2 = -2 ± 1

x1 = -2 - 1 = -3

x2 = -2 + 1 = -1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; -1 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 + x 2 -24x +36 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 + x 2 -24x +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 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 + 2 2 -24⋅2 +36 = 0.

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

( x 3 + x 2 -24x +36 ) : (x-2) = x 2 +3x -18
-( x 3 -2 x 2 )
3 x 2 -24x
-( 3 x 2 -6x )
-18x +36
-( -18x +36 )
0

es gilt also:

x 3 + x 2 -24x +36 = ( x 2 +3x -18 ) · ( x -2 )

( x 2 +3x -18 ) · ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +3x -18 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -18 ) 2⋅1

x1,2 = -3 ± 9 +72 2

x1,2 = -3 ± 81 2

x1 = -3 + 81 2 = -3 +9 2 = 6 2 = 3

x2 = -3 - 81 2 = -3 -9 2 = -12 2 = -6

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 - ( -18 ) = 9 4 + 18 = 9 4 + 72 4 = 81 4

x1,2 = - 3 2 ± 81 4

x1 = - 3 2 - 9 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 3 2 + 9 2 = 6 2 = 3


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 3

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; 2 ; 3 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | x -4 | -6 = -10

Lösung einblenden
- | x -4 | -6 = -10 | +6
- | x -4 | = -4 |: ( -1 )
| x -4 | = 4

1. Fall: x -4 ≥ 0:

x -4 = 4 | +4
x1 = 8

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

8 -4 = 4 ≥ 0

Die Lösung 8 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: x -4 < 0:

-( x -4 ) = 4
-x +4 = 4 | -4
-x = 0 |:(-1 )
x2 = 0

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

0 -4 = -4 < 0

Die Lösung 0 genügt also der obigen Bedingung.

L={0; 8 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

-2 x 3 + t x = 0
x · ( -2 x 2 + t ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

-2 x 2 + t = 0 | - ( t )
-2 x 2 = -1 t |: ( -2 )
x 2 = 1 2 t | ⋅2
x2 = - ( 1 2 t ) = - 1 1,4142 t
x3 = ( 1 2 t ) = 1 1,4142 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 3 Lösung(en).