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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x +4 e -2x 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:

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

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

1. Fall:

e 6x -5 e 3x +4 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u +4 = 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 · 4 21

u1,2 = +5 ± 25 -16 2

u1,2 = +5 ± 9 2

u1 = 5 + 9 2 = 5 +3 2 = 8 2 = 4

u2 = 5 - 9 2 = 5 -3 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 ) 2 - 4 = 25 4 - 4 = 25 4 - 16 4 = 9 4

x1,2 = 5 2 ± 9 4

x1 = 5 2 - 3 2 = 2 2 = 1

x2 = 5 2 + 3 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x1 = 2 3 ln( 2 )

u2: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x2 = 0 ≈ 0

2. Fall:

e -2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0; 2 3 ln( 2 ) }

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

x1 = 0: f(0)= 5 e 0 = 5 Somit gilt: S1(0|5)

x2 = 2 3 ln( 2 ) : f( 2 3 ln( 2 ) )= 5 e 2 3 ln( 2 ) = 7.937 Somit gilt: S2( 2 3 ln( 2 ) |7.937)

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 = 20x +5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 20x +5 gilt m = 20

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 = 20 | -20
x 4 + x 2 -20 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -20 = 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 · ( -20 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +80 2

u1,2 = -1 ± 81 2

u1 = -1 + 81 2 = -1 +9 2 = 8 2 = 4

u2 = -1 - 81 2 = -1 -9 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 = ( 1 2 ) 2 - ( -20 ) = 1 4 + 20 = 1 4 + 80 4 = 81 4

x1,2 = - 1 2 ± 81 4

x1 = - 1 2 - 9 2 = - 10 2 = -5

x2 = - 1 2 + 9 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

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

u2: x 2 = -5

x 2 = -5 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 2 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 20 und sind somit parallel zur Geraden y = 20x +5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 7 +2 x 4 = -x

Lösung einblenden
x 7 +2 x 4 = -x | + x
x 7 +2 x 4 + x = 0
x ( x 6 +2 x 3 +1 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 6 +2 x 3 +1 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u +1 = 0

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

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · 1 21

u1,2 = -2 ± 4 -4 2

u1,2 = -2 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

u = -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 = 1 2 - 1 = 1 - 1 = 0

Da die Diskriminante D = 0 ist, hat die quadratische Gleichung nur eine Lösunng.

x = -1 ± 0 = -1

Rücksubstitution:

u1: x 3 = -1

x 3 = -1 | 3
x2 = - 1 3 = -1

u2: x 3 = -1

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

L={ -1 ; 0}

-1 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4x 2x +3 + 2x 2x +4 + 5x +1 -2x -4 = 0

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

4x 2x +3 + 5x +1 -2x -4 + 2x 2x +4 = 0
4x 2x +3 + 5x +1 -2( x +2 ) + 2x 2( x +2 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 2x +3 weg!

4x 2x +3 + 5x +1 -2( x +2 ) + 2x 2( x +2 ) = 0 |⋅( 2x +3 )
4x 2x +3 · ( 2x +3 ) + 5x +1 -2( x +2 ) · ( 2x +3 ) + 2x 2( x +2 ) · ( 2x +3 ) = 0
4x - ( 5x +1 ) ( 2x +3 ) 2( x +2 ) + x ( 2x +3 ) x +2 = 0
4x - 10 x 2 +17x +3 2( x +2 ) + 2 x 2 +3x x +2 = 0
2 x 2 +3x x +2 - 10 x 2 +17x +3 2( x +2 ) +4x = 0
- 10 x 2 +17x +3 2( x +2 ) + 2 x 2 +3x x +2 +4x = 0

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

- 10 x 2 +17x +3 2( x +2 ) + 2 x 2 +3x x +2 +4x = 0 |⋅( 2( x +2 ) )
- 10 x 2 +17x +3 2( x +2 ) · ( 2( x +2 ) ) + 2 x 2 +3x x +2 · ( 2( x +2 ) ) + 4x · ( 2( x +2 ) ) = 0
-10 x 2 -17x -3 +4 x 2 +6x +8 x ( x +2 ) = 0
-10 x 2 -17x -3 +4 x 2 +6x + ( 8 x 2 +16x ) = 0
2 x 2 +5x -3 = 0

2 x 2 +5x -3 = 0

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

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

x1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 2 · ( -3 ) 22

x1,2 = -5 ± 25 +24 4

x1,2 = -5 ± 49 4

x1 = -5 + 49 4 = -5 +7 4 = 2 4 = 0,5

x2 = -5 - 49 4 = -5 -7 4 = -12 4 = -3

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 "2 " teilen:

2 x 2 +5x -3 = 0 |: 2

x 2 + 5 2 x - 3 2 = 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 4 ) 2 - ( - 3 2 ) = 25 16 + 3 2 = 25 16 + 24 16 = 49 16

x1,2 = - 5 4 ± 49 16

x1 = - 5 4 - 7 4 = - 12 4 = -3

x2 = - 5 4 + 7 4 = 2 4 = 0.5

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; 0,5 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 +5 x 2 - x -6 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 +5 x 2 - x -6 = 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 -6 .

1 ist eine Lösung, denn 2 1 3 +5 1 2 - 1 -6 = 0.

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

( 2 x 3 +5 x 2 - x -6 ) : (x-1) = 2 x 2 +7x +6
-( 2 x 3 -2 x 2 )
7 x 2 - x
-( 7 x 2 -7x )
6x -6
-( 6x -6 )
0

es gilt also:

2 x 3 +5 x 2 - x -6 = ( 2 x 2 +7x +6 ) · ( x -1 )

( 2 x 2 +7x +6 ) ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 +7x +6 = 0

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

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

x1,2 = -7 ± 7 2 -4 · 2 · 6 22

x1,2 = -7 ± 49 -48 4

x1,2 = -7 ± 1 4

x1 = -7 + 1 4 = -7 +1 4 = -6 4 = -1,5

x2 = -7 - 1 4 = -7 -1 4 = -8 4 = -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 "2 " teilen:

2 x 2 +7x +6 = 0 |: 2

x 2 + 7 2 x +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 = ( 7 4 ) 2 - 3 = 49 16 - 3 = 49 16 - 48 16 = 1 16

x1,2 = - 7 4 ± 1 16

x1 = - 7 4 - 1 4 = - 8 4 = -2

x2 = - 7 4 + 1 4 = - 6 4 = -1.5


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -2

L={ -2 ; -1,5 ; 1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | 3x +12 | -9 = -3

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- | 3x +12 | -9 = -3 | +9
- | 3x +12 | = 6 |: ( -1 )
| 3x +12 | = -6

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

x 2 -3x +2 t = 1 |-1

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

x 2 -3x + 2t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( 2t -1 ) 21 = +3 ± 9 + ( -8t +4 ) 2

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

  • Ist 9 + ( -8t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 + ( -8t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 + ( -8t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 + ( -8t +4 ) = 0 wird.

9 -8t +4 = 0
-8t +13 = 0 | -13
-8t = -13 |:(-8 )
t = 13 8

Für t = 13 8 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.