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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 3x -5 e 2x und g(x)= 6 e x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

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

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

1. Fall:

e 2x -5 e x -6 = 0

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

Setze u = e x

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 x = 6

e x = 6 |ln(⋅)
x1 = ln( 6 ) ≈ 1.7918

u2: e x = -1

e x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 6 ) }

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

x1 = ln( 6 ) : f( ln( 6 ) )= 6 e ln( 6 ) = 36 Somit gilt: S1( ln( 6 ) |36)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x - 11 3 e 3x parallel zur Geraden y = -30x +4 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -30x +4 gilt m = -30

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

f(x)= 1 6 e 6x - 11 3 e 3x

f'(x)= e 6x -11 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -11 e 3x = -30 | +30
e 6x -11 e 3x +30 = 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 +30 = 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 · 30 21

u1,2 = +11 ± 121 -120 2

u1,2 = +11 ± 1 2

u1 = 11 + 1 2 = 11 +1 2 = 12 2 = 6

u2 = 11 - 1 2 = 11 -1 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 = ( - 11 2 ) 2 - 30 = 121 4 - 30 = 121 4 - 120 4 = 1 4

x1,2 = 11 2 ± 1 4

x1 = 11 2 - 1 2 = 10 2 = 5

x2 = 11 2 + 1 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 6

e 3x = 6 |ln(⋅)
3x = ln( 6 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 6 ) ≈ 0.5973

u2: e 3x = 5

e 3x = 5 |ln(⋅)
3x = ln( 5 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 5 ) ≈ 0.5365

L={ 1 3 ln( 5 ) ; 1 3 ln( 6 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -30 und sind somit parallel zur Geraden y = -30x +4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-10 x 2 +9 = - x 4

Lösung einblenden
-10 x 2 +9 = - x 4 | + x 4
x 4 -10 x 2 +9 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -10u +9 = 0

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

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

u1,2 = +10 ± ( -10 ) 2 -4 · 1 · 9 21

u1,2 = +10 ± 100 -36 2

u1,2 = +10 ± 64 2

u1 = 10 + 64 2 = 10 +8 2 = 18 2 = 9

u2 = 10 - 64 2 = 10 -8 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 - 9 = 25 - 9 = 16

x1,2 = 5 ± 16

x1 = 5 - 4 = 1

x2 = 5 + 4 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x1 = - 9 = -3
x2 = 9 = 3

u2: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x3 = - 1 = -1
x4 = 1 = 1

L={ -3 ; -1 ; 1 ; 3 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

8x 2x -2 + 11x -1 3x + -24x 2x -2 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; 0}

8x 2x -2 + 11x -1 3x - 24x 2x -2 = 0
8x 2( x -1 ) + 11x -1 3x - 24x 2( x -1 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

8x 2( x -1 ) + 11x -1 3x - 24x 2( x -1 ) = 0 |⋅( x -1 )
8x 2( x -1 ) · ( x -1 ) + 11x -1 3x · ( x -1 )- 24x 2( x -1 ) · ( x -1 ) = 0
4x + ( 11x -1 ) ( x -1 ) 3x -12x = 0
4x + 11 x 2 -12x +1 3x -12x = 0
11 x 2 -12x +1 3x +4x -12x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x weg!

11 x 2 -12x +1 3x +4x -12x = 0 |⋅( 3x )
11 x 2 -12x +1 3x · 3x + 4x · 3x -12x · 3x = 0
11 x 2 -12x +1 +12 x · x -36 x · x = 0
11 x 2 -12x +1 +12 x 2 -36 x 2 = 0
-13 x 2 -12x +1 = 0

-13 x 2 -12x +1 = 0

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

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

x1,2 = +12 ± ( -12 ) 2 -4 · ( -13 ) · 1 2( -13 )

x1,2 = +12 ± 144 +52 -26

x1,2 = +12 ± 196 -26

x1 = 12 + 196 -26 = 12 +14 -26 = 26 -26 = -1

x2 = 12 - 196 -26 = 12 -14 -26 = -2 -26 = 1 13

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 "-13 " teilen:

-13 x 2 -12x +1 = 0 |: -13

x 2 + 12 13 x - 1 13 = 0

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

D = ( 6 13 ) 2 - ( - 1 13 ) = 36 169 + 1 13 = 36 169 + 13 169 = 49 169

x1,2 = - 6 13 ± 49 169

x1 = - 6 13 - 7 13 = - 13 13 = -1

x2 = - 6 13 + 7 13 = 1 13 = 0.076923076923077

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 1 13 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 - x 2 -22x -24 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 - x 2 -22x -24 = 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 -24 .

-2 ist eine Lösung, denn 2 ( -2 ) 3 - ( -2 ) 2 -22( -2 ) -24 = 0.

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

( 2 x 3 - x 2 -22x -24 ) : (x+2) = 2 x 2 -5x -12
-( 2 x 3 +4 x 2 )
-5 x 2 -22x
-( -5 x 2 -10x )
-12x -24
-( -12x -24 )
0

es gilt also:

2 x 3 - x 2 -22x -24 = ( 2 x 2 -5x -12 ) · ( x +2 )

( 2 x 2 -5x -12 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 -5x -12 = 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 · ( -12 ) 22

x1,2 = +5 ± 25 +96 4

x1,2 = +5 ± 121 4

x1 = 5 + 121 4 = 5 +11 4 = 16 4 = 4

x2 = 5 - 121 4 = 5 -11 4 = -6 4 = -1,5

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 -12 = 0 |: 2

x 2 - 5 2 x -6 = 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 - ( -6 ) = 25 16 + 6 = 25 16 + 96 16 = 121 16

x1,2 = 5 4 ± 121 16

x1 = 5 4 - 11 4 = - 6 4 = -1.5

x2 = 5 4 + 11 4 = 16 4 = 4


2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x3 = -2

Polynomdivision mit 4

L={ -2 ; -1,5 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 4x +12 | +3 = 11

Lösung einblenden
| 4x +12 | +3 = 11 | -3
| 4x +12 | = 8

1. Fall: 4x +12 ≥ 0:

4x +12 = 8 | -12
4x = -4 |:4
x1 = -1

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +12 ≥ 0) genügt:

4( -1 ) +12 = 8 ≥ 0

Die Lösung -1 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x +12 < 0:

-( 4x +12 ) = 8
-4x -12 = 8 | +12
-4x = 20 |:(-4 )
x2 = -5

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +12 < 0) genügt:

4( -5 ) +12 = -8 < 0

Die Lösung -5 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -5 ; -1 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

  • Ist t 2 -4 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist t 2 -4 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist t 2 -4 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand t 2 -4 t = 0 wird.

t 2 -4t = 0
t ( t -4 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t -4 = 0 | +4
t2 = 4

Für t = 0 oder für t = 4 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.