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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 7x -11 e 4x und g(x)= -28 e x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

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

e 7x -11 e 4x = -28 e x | +28 e x
e 7x -11 e 4x +28 e x = 0
( e 6x -11 e 3x +28 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 6x -11 e 3x +28 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -11u +28 = 0

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

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

u1,2 = +11 ± ( -11 ) 2 -4 · 1 · 28 21

u1,2 = +11 ± 121 -112 2

u1,2 = +11 ± 9 2

u1 = 11 + 9 2 = 11 +3 2 = 14 2 = 7

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

x1,2 = 11 2 ± 9 4

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

x2 = 11 2 + 3 2 = 14 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

e 3x = 7 |ln(⋅)
3x = ln( 7 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 7 ) ≈ 0.6486

u2: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x2 = 2 3 ln( 2 )

2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 3 ln( 2 ) ; 1 3 ln( 7 ) }

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

x1 = 2 3 ln( 2 ) : f( 2 3 ln( 2 ) )= -28 e 2 3 ln( 2 ) = -44.447 Somit gilt: S1( 2 3 ln( 2 ) |-44.447)

x2 = 1 3 ln( 7 ) : f( 1 3 ln( 7 ) )= -28 e 1 3 ln( 7 ) = -53.562 Somit gilt: S2( 1 3 ln( 7 ) |-53.562)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x + 2 3 e 3x parallel zur Geraden y = 8x +3 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 8x +3 gilt m = 8

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

f(x)= 1 6 e 6x + 2 3 e 3x

f'(x)= e 6x +2 e 3x

Also muss gelten:

e 6x +2 e 3x = 8 | -8
e 6x +2 e 3x -8 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u -8 = 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 · ( -8 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +32 2

u1,2 = -2 ± 36 2

u1 = -2 + 36 2 = -2 +6 2 = 4 2 = 2

u2 = -2 - 36 2 = -2 -6 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 = 1 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = -1 ± 9

x1 = -1 - 3 = -4

x2 = -1 + 3 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 2

e 3x = 2 |ln(⋅)
3x = ln( 2 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 2 ) ≈ 0.231

u2: e 3x = -4

e 3x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 2 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 8 und sind somit parallel zur Geraden y = 8x +3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-5 e 4x -6 e 2x = - e 6x

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

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

1. Fall:

e 4x -5 e 2x -6 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u -6 = 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 · ( -6 ) 21

u1,2 = +5 ± 25 +24 2

u1,2 = +5 ± 49 2

u1 = 5 + 49 2 = 5 +7 2 = 12 2 = 6

u2 = 5 - 49 2 = 5 -7 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 - ( -6 ) = 25 4 + 6 = 25 4 + 24 4 = 49 4

x1,2 = 5 2 ± 49 4

x1 = 5 2 - 7 2 = - 2 2 = -1

x2 = 5 2 + 7 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 6

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

u2: e 2x = -1

e 2x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

5x -1 3x -3 + 7x +2 2x + -15x +2 2x = 0

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D=R\{0; 1 }

7x +2 2x + 5x -1 3x -3 + -15x +2 2x = 0
7x +2 2x + 5x -1 3( x -1 ) + -15x +2 2x = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 2x weg!

7x +2 2x + 5x -1 3( x -1 ) + -15x +2 2x = 0 |⋅( 2x )
7x +2 2x · 2x + 5x -1 3( x -1 ) · 2x + -15x +2 2x · 2x = 0
7x +2 +2 ( 5x -1 ) x 3( x -1 ) -15x +2 = 0
7x +2 + 2( 5 x 2 - x ) 3( x -1 ) -15x +2 = 0
2( 5 x 2 - x ) 3( x -1 ) +7x -15x +2 +2 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3( x -1 ) weg!

2( 5 x 2 - x ) 3( x -1 ) +7x -15x +2 +2 = 0 |⋅( 3( x -1 ) )
2( 5 x 2 - x ) 3( x -1 ) · ( 3( x -1 ) ) + 7x · ( 3( x -1 ) ) -15x · ( 3( x -1 ) ) + 2 · ( 3( x -1 ) ) + 2 · ( 3( x -1 ) ) = 0
10 x 2 -2x +21 x ( x -1 )-45 x ( x -1 ) +6x -6 +6x -6 = 0
10 x 2 -2x + ( 21 x 2 -21x ) + ( -45 x 2 +45x ) +6x -6 +6x -6 = 0
-14 x 2 +34x -12 = 0
-14 x 2 +34x -12 = 0 |:2

-7 x 2 +17x -6 = 0

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

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

x1,2 = -17 ± 17 2 -4 · ( -7 ) · ( -6 ) 2( -7 )

x1,2 = -17 ± 289 -168 -14

x1,2 = -17 ± 121 -14

x1 = -17 + 121 -14 = -17 +11 -14 = -6 -14 = 3 7 ≈ 0.43

x2 = -17 - 121 -14 = -17 -11 -14 = -28 -14 = 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 "-7 " teilen:

-7 x 2 +17x -6 = 0 |: -7

x 2 - 17 7 x + 6 7 = 0

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

D = ( - 17 14 ) 2 - ( 6 7 ) = 289 196 - 6 7 = 289 196 - 168 196 = 121 196

x1,2 = 17 14 ± 121 196

x1 = 17 14 - 11 14 = 6 14 = 0.42857142857143

x2 = 17 14 + 11 14 = 28 14 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 3 7 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = 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 -90 .

2 ist eine Lösung, denn 3 2 3 +26 2 2 -192 -90 = 0.

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

( 3 x 3 +26 x 2 -19x -90 ) : (x-2) = 3 x 2 +32x +45
-( 3 x 3 -6 x 2 )
32 x 2 -19x
-( 32 x 2 -64x )
45x -90
-( 45x -90 )
0

es gilt also:

3 x 3 +26 x 2 -19x -90 = ( 3 x 2 +32x +45 ) · ( x -2 )

( 3 x 2 +32x +45 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +32x +45 = 0

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

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

x1,2 = -32 ± 32 2 -4 · 3 · 45 23

x1,2 = -32 ± 1024 -540 6

x1,2 = -32 ± 484 6

x1 = -32 + 484 6 = -32 +22 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -32 - 484 6 = -32 -22 6 = -54 6 = -9

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 +32x +45 = 0 |: 3

x 2 + 32 3 x +15 = 0

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

D = ( 16 3 ) 2 - 15 = 256 9 - 15 = 256 9 - 135 9 = 121 9

x1,2 = - 16 3 ± 121 9

x1 = - 16 3 - 11 3 = - 27 3 = -9

x2 = - 16 3 + 11 3 = - 5 3 = -1.6666666666667


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit -9

L={ -9 ; - 5 3 ; 2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | x +1 | +2 = 1

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

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)= ( x 2 +4 t x -2 t ) · e - 1 2 x genau 0 Nullstellen?

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Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 +4 t x -2 t ) · e - 1 2 x genau dann = 0, wenn x 2 +4 t x -2 t = 0 oder e - 1 2 x = 0 gilt:

Da ja aber e - 1 2 x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 +4 t x -2 t zu untersuchen:

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

x1,2 = -4 t ± ( 4 t ) 2 -4 · 1 · ( -2 t ) 21 = -4 t ± 16 t 2 +8 t 2

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

  • Ist 16 t 2 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 16 t 2 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 16 t 2 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 16 t 2 +8 t = 0 wird.

16 t 2 +8t = 0
8 t ( 2t +1 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

2t +1 = 0 | -1
2t = -1 |:2
t2 = - 1 2 = -0.5

Da bei 16 t 2 +8 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 16 t 2 +8 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für - 1 2 < t < 0 , also für t > - 1 2 und t < 0 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.