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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x -6 e 2x und g(x)= 5 e 3x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 4x -6 e 2x = 5 e 3x | -5 e 3x
e 4x -5 e 3x -6 e 2x = 0
( e 2x -5 e x -6 ) e 2x = 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 2x = 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 ) )= 5 e 3( ln( 6 ) ) = 1080 Somit gilt: S1( ln( 6 ) |1080)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x -3 gilt m = 6

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

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

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

Also muss gelten:

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

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

Setze u = e 3x

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 3x = 2

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

u2: e 3x = -3

e 3x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 2 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x -3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( 8 e 3x -6 ) · ( x 3 +6 x 2 ) = 0

Lösung einblenden
( 8 e 3x -6 ) ( x 3 +6 x 2 ) = 0

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

1. Fall:

8 e 3x -6 = 0 | +6
8 e 3x = 6 |:8
e 3x = 3 4 |ln(⋅)
3x = ln( 3 4 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 3 4 ) ≈ -0.0959

2. Fall:

x 3 +6 x 2 = 0
x 2 ( x +6 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x2 = 0

2. Fall:

x +6 = 0 | -6
x3 = -6

L={ -6 ; 1 3 ln( 3 4 ) ; 0}

0 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x 2x -2 + 6x x +2 + 18x -6x +6 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ -2 ; 1 }

6x x +2 + 3x 2x -2 + 18x -6x +6 = 0
6x x +2 + 3x 2( x -1 ) + 18x 6( -x +1 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x +2 weg!

6x x +2 + 3x 2( x -1 ) + 18x 6( -x +1 ) = 0 |⋅( x +2 )
6x x +2 · ( x +2 ) + 3x 2( x -1 ) · ( x +2 ) + 18x 6( -x +1 ) · ( x +2 ) = 0
6x + 3 x ( x +2 ) 2( x -1 ) + 3 x ( x +2 ) -x +1 = 0
6x + 3 x 2 +6x 2( x -1 ) + 3 x 2 +6x -x +1 = 0
3 x 2 +6x -x +1 + 3 x 2 +6x 2( x -1 ) +6x = 0
3 x 2 +6x 2( x -1 ) + 3 x 2 +6x -x +1 +6x = 0

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

3 x 2 +6x 2( x -1 ) + 3 x 2 +6x -x +1 +6x = 0 |⋅( 2( x -1 ) )
3 x 2 +6x 2( x -1 ) · ( 2( x -1 ) ) + 3 x 2 +6x -x +1 · ( 2( x -1 ) ) + 6x · ( 2( x -1 ) ) = 0
3 x 2 +6x +2 ( 3 x 2 +6x ) ( x -1 ) -x +1 +12 x ( x -1 ) = 0
3 x 2 +6x -6 x ( x +2 )+12 x ( x -1 ) = 0
3 x 2 +6x + ( -6 x 2 -12x ) + ( 12 x 2 -12x ) = 0
9 x 2 -18x = 0
9 x 2 -18x = 0
9 x ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x2 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={0; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 -8 x 3 +17 x 2 +2x -24 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 -8 x 3 +17 x 2 +2x -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 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 4 -8 ( -1 ) 3 +17 ( -1 ) 2 +2( -1 ) -24 = 0.

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

( x 4 -8 x 3 +17 x 2 +2x -24 ) : (x+1) = x 3 -9 x 2 +26x -24
-( x 4 + x 3 )
-9 x 3 +17 x 2
-( -9 x 3 -9 x 2 )
26 x 2 +2x
-( 26 x 2 +26x )
-24x -24
-( -24x -24 )
0

es gilt also:

x 4 -8 x 3 +17 x 2 +2x -24 = ( x 3 -9 x 2 +26x -24 ) · ( x +1 )

( x 3 -9 x 2 +26x -24 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -9 x 2 +26x -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 3 -9 2 2 +262 -24 = 0.

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

( x 3 -9 x 2 +26x -24 ) : (x-2) = x 2 -7x +12
-( x 3 -2 x 2 )
-7 x 2 +26x
-( -7 x 2 +14x )
12x -24
-( 12x -24 )
0

es gilt also:

x 3 -9 x 2 +26x -24 = ( x 2 -7x +12 ) · ( x -2 )

( x 2 -7x +12 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -7x +12 = 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 · 1 · 12 21

x1,2 = +7 ± 49 -48 2

x1,2 = +7 ± 1 2

x1 = 7 + 1 2 = 7 +1 2 = 8 2 = 4

x2 = 7 - 1 2 = 7 -1 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 = ( - 7 2 ) 2 - 12 = 49 4 - 12 = 49 4 - 48 4 = 1 4

x1,2 = 7 2 ± 1 4

x1 = 7 2 - 1 2 = 6 2 = 3

x2 = 7 2 + 1 2 = 8 2 = 4


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 3

Polynomdivision mit 4


2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x4 = -1

L={ -1 ; 2 ; 3 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | 3x -6 | +6 = -3

Lösung einblenden
- 1 2 | 3x -6 | +6 = -3 | -6
- 1 2 | 3x -6 | = -9 |⋅ ( -2 )
| 3x -6 | = 18

1. Fall: 3x -6 ≥ 0:

3x -6 = 18 | +6
3x = 24 |:3
x1 = 8

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x -6 ≥ 0) genügt:

38 -6 = 18 ≥ 0

Die Lösung 8 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x -6 < 0:

-( 3x -6 ) = 18
-3x +6 = 18 | -6
-3x = 12 |:(-3 )
x2 = -4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x -6 < 0) genügt:

3( -4 ) -6 = -18 < 0

Die Lösung -4 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -4 ; 8 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 +2x +3 t ) genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4 -12t +4 = 0
-12t +8 = 0 | -8
-12t = -8 |:(-12 )
t = 2 3

Da rechts der Nullstelle t= 2 3 beispielsweise für t = 2 der Radikand 4 + ( -122 +4 ) = -16 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 4 + ( -12t +4 ) für t > 2 3 kleiner 0 und für t < 2 3 größer 0

Für t > 2 3 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.