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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 6x -4 e 3x und g(x)= -4 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 6x -4 e 3x = -4 | +4
e 6x -4 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 -4u +4 = 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 · 4 21

u1,2 = +4 ± 16 -16 2

u1,2 = +4 ± 0 2

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

u = 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 - 4 = 4 - 4 = 0

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

x = 2 ± 0 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 2

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

u2: e 3x = 2

e 3x = 2 |ln(⋅)
3x = ln( 2 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 2 ) ≈ 0.231

L={ 1 3 ln( 2 ) }

1 3 ln( 2 ) ist 2-fache Lösung!

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

x1 = 1 3 ln( 2 ) : f( 1 3 ln( 2 ) )= -4 Somit gilt: S1( 1 3 ln( 2 ) |-4)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -4 gilt m = 0

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

f(x)= -1 +4 x 2 · e 1 2 x

f'(x)= 2 x 2 · e 1 2 x +8 x · e 1 2 x

Also muss gelten:

2 x 2 · e 1 2 x +8 x · e 1 2 x = 0
2 ( x 2 +4x ) · e 1 2 x = 0

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

1. Fall:

x 2 +4x = 0
x · ( x +4 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x +4 = 0 | -4
x2 = -4

2. Fall:

e 1 2 x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ -4 ; 0}

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 0 und sind somit parallel zur Geraden y = -4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 3x -6 e 2x = - e 4x

Lösung einblenden
e 3x -6 e 2x = - e 4x | + e 4x
e 4x + e 3x -6 e 2x = 0
( e 2x + e x -6 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

e 2x + 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 + u -6 = 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 · ( -6 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +24 2

u1,2 = -1 ± 25 2

u1 = -1 + 25 2 = -1 +5 2 = 4 2 = 2

u2 = -1 - 25 2 = -1 -5 2 = -6 2 = -3

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 - ( -6 ) = 1 4 + 6 = 1 4 + 24 4 = 25 4

x1,2 = - 1 2 ± 25 4

x1 = - 1 2 - 5 2 = - 6 2 = -3

x2 = - 1 2 + 5 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e x = 2

e x = 2 |ln(⋅)
x1 = ln( 2 ) ≈ 0.6931

u2: e x = -3

e x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

5x +1 2x -2 + 4x 3x -6 + -16x 6x -12 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 1 }

4x 3x -6 + 5x +1 2x -2 - 16x 6x -12 = 0
4x 3( x -2 ) + 5x +1 2( x -1 ) - 16x 6( x -2 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

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

4x 3( x -2 ) + 5x +1 2( x -1 ) - 16x 6( x -2 ) = 0 |⋅( 3( x -2 ) )
4x 3( x -2 ) · ( 3( x -2 ) ) + 5x +1 2( x -1 ) · ( 3( x -2 ) )- 16x 6( x -2 ) · ( 3( x -2 ) ) = 0
4x +3 ( 5x +1 ) · ( x -2 ) 2( x -1 ) -8x = 0
4x + 3( 5 x 2 -9x -2 ) 2( x -1 ) -8x = 0
3( 5 x 2 -9x -2 ) 2( x -1 ) +4x -8x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2( x -1 ) weg!

3( 5 x 2 -9x -2 ) 2( x -1 ) +4x -8x = 0 |⋅( 2( x -1 ) )
3( 5 x 2 -9x -2 ) 2( x -1 ) · ( 2( x -1 ) ) + 4x · ( 2( x -1 ) ) -8x · ( 2( x -1 ) ) = 0
15 x 2 -27x -6 +8 x · ( x -1 )-16 x · ( x -1 ) = 0
15 x 2 -27x -6 + ( 8 x 2 -8x ) + ( -16 x 2 +16x ) = 0
7 x 2 -19x -6 = 0

7 x 2 -19x -6 = 0

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

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

x1,2 = +19 ± ( -19 ) 2 -4 · 7 · ( -6 ) 27

x1,2 = +19 ± 361 +168 14

x1,2 = +19 ± 529 14

x1 = 19 + 529 14 = 19 +23 14 = 42 14 = 3

x2 = 19 - 529 14 = 19 -23 14 = -4 14 = - 2 7

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 -19x -6 = 0 |: 7

x 2 - 19 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 = ( - 19 14 ) 2 - ( - 6 7 ) = 361 196 + 6 7 = 361 196 + 168 196 = 529 196

x1,2 = 19 14 ± 529 196

x1 = 19 14 - 23 14 = - 4 14 = -0.28571428571429

x2 = 19 14 + 23 14 = 42 14 = 3

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ - 2 7 ; 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +4 x 2 -37x -40 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +4 x 2 -37x -40 = 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 -40 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 +4 ( -1 ) 2 -37( -1 ) -40 = 0.

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

( x 3 +4 x 2 -37x -40 ) : (x+1) = x 2 +3x -40
-( x 3 + x 2 )
3 x 2 -37x
-( 3 x 2 +3x )
-40x -40
-( -40x -40 )
0

es gilt also:

x 3 +4 x 2 -37x -40 = ( x 2 +3x -40 ) · ( x +1 )

( x 2 +3x -40 ) · ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +3x -40 = 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 · ( -40 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +160 2

x1,2 = -3 ± 169 2

x1 = -3 + 169 2 = -3 +13 2 = 10 2 = 5

x2 = -3 - 169 2 = -3 -13 2 = -16 2 = -8

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 - ( -40 ) = 9 4 + 40 = 9 4 + 160 4 = 169 4

x1,2 = - 3 2 ± 169 4

x1 = - 3 2 - 13 2 = - 16 2 = -8

x2 = - 3 2 + 13 2 = 10 2 = 5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 5

Polynomdivision mit -8

L={ -8 ; -1 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | 4x +8 | +9 = -15

Lösung einblenden
- 1 2 | 4x +8 | +9 = -15 | -9
- 1 2 | 4x +8 | = -24 |⋅ ( -2 )
| 4x +8 | = 48

1. Fall: 4x +8 ≥ 0:

4x +8 = 48 | -8
4x = 40 |:4
x1 = 10

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +8 ≥ 0) genügt:

410 +8 = 48 ≥ 0

Die Lösung 10 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x +8 < 0:

-( 4x +8 ) = 48
-4x -8 = 48 | +8
-4x = 56 |:(-4 )
x2 = -14

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +8 < 0) genügt:

4( -14 ) +8 = -48 < 0

Die Lösung -14 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -14 ; 10 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 -4x +3 t ) genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

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

ln( x 2 -4x +3 t ) = 0

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

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

x 2 -4x + 3t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 1 · ( 3t -1 ) 21 = +4 ± 16 + ( -12t +4 ) 2

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

  • Ist 16 + ( -12t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 16 + ( -12t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 16 + ( -12t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 16 + ( -12t +4 ) = 0 wird.

16 -12t +4 = 0
-12t +20 = 0 | -20
-12t = -20 |:(-12 )
t = 5 3

Für t = 5 3 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.