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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 5x -10 e x und g(x)= 3 e 3x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

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

e 5x -10 e x = 3 e 3x | -3 e 3x
e 5x -3 e 3x -10 e x = 0
( e 4x -3 e 2x -10 ) · e x = 0

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

1. Fall:

e 4x -3 e 2x -10 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -3u -10 = 0

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

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

u1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( -10 ) 21

u1,2 = +3 ± 9 +40 2

u1,2 = +3 ± 49 2

u1 = 3 + 49 2 = 3 +7 2 = 10 2 = 5

u2 = 3 - 49 2 = 3 -7 2 = -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 = ( - 3 2 ) 2 - ( -10 ) = 9 4 + 10 = 9 4 + 40 4 = 49 4

x1,2 = 3 2 ± 49 4

x1 = 3 2 - 7 2 = - 4 2 = -2

x2 = 3 2 + 7 2 = 10 2 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 5

e 2x = 5 |ln(⋅)
2x = ln( 5 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 5 ) ≈ 0.8047

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 5 ) }

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

x1 = 1 2 ln( 5 ) : f( 1 2 ln( 5 ) )= 3 e 3( 1 2 ln( 5 ) ) = 33.541 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 5 ) |33.541)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

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Für die Steigung der Geraden y = -2x +4 gilt m = -2

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

f(x)= -2x +2 +2 x · e 2x

f'(x)= 2 e 2x -2 +4 x · e 2x

Also muss gelten:

2 e 2x -2 +4 x · e 2x = -2 | +2
2 e 2x -2 +2 +4 x · e 2x = 0
2 e 2x +4 x · e 2x = 0
2 ( 2x +1 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

2x +1 = 0 | -1
2x = -1 |:2
x1 = - 1 2 = -0.5

2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ - 1 2 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -2 und sind somit parallel zur Geraden y = -2x +4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 6x -4 e 4x -12 e 2x = 0

Lösung einblenden
e 6x -4 e 4x -12 e 2x = 0
( e 4x -4 e 2x -12 ) · e 2x = 0

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

1. Fall:

e 4x -4 e 2x -12 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -4u -12 = 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 · ( -12 ) 21

u1,2 = +4 ± 16 +48 2

u1,2 = +4 ± 64 2

u1 = 4 + 64 2 = 4 +8 2 = 12 2 = 6

u2 = 4 - 64 2 = 4 -8 2 = -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 - ( -12 ) = 4+ 12 = 16

x1,2 = 2 ± 16

x1 = 2 - 4 = -2

x2 = 2 + 4 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 6

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

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

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:

3x +2 x + x 3x -4 + 15x -9x +12 = 0

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D=R\{ 4 3 ; 0}

x 3x -4 + 3x +2 x + 15x -9x +12 = 0
x 3x -4 + 3x +2 x + 15x 3( -3x +4 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x -4 weg!

x 3x -4 + 3x +2 x + 15x 3( -3x +4 ) = 0 |⋅( 3x -4 )
x 3x -4 · ( 3x -4 ) + 3x +2 x · ( 3x -4 ) + 15x 3( -3x +4 ) · ( 3x -4 ) = 0
x + ( 3x +2 ) · ( 3x -4 ) x + 5 x · ( 3x -4 ) -3x +4 = 0
x + ( 3x +2 ) · ( 3x -4 ) x -5x = 0
x + 9 x 2 -6x -8 x -5x = 0
9 x 2 -6x -8 x + x -5x = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

9 x 2 -6x -8 x + x -5x = 0 |⋅( x )
9 x 2 -6x -8 x · x + x · x -5x · x = 0
9 x 2 -6x -8 + x · x -5 x · x = 0
9 x 2 -6x -8 + x 2 -5 x 2 = 0
5 x 2 -6x -8 = 0

5 x 2 -6x -8 = 0

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

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

x1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 5 · ( -8 ) 25

x1,2 = +6 ± 36 +160 10

x1,2 = +6 ± 196 10

x1 = 6 + 196 10 = 6 +14 10 = 20 10 = 2

x2 = 6 - 196 10 = 6 -14 10 = -8 10 = -0,8

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 "5 " teilen:

5 x 2 -6x -8 = 0 |: 5

x 2 - 6 5 x - 8 5 = 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 5 ) 2 - ( - 8 5 ) = 9 25 + 8 5 = 9 25 + 40 25 = 49 25

x1,2 = 3 5 ± 49 25

x1 = 3 5 - 7 5 = - 4 5 = -0.8

x2 = 3 5 + 7 5 = 10 5 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -0,8 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -11 x 2 +14x +80 = 0

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Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -11 x 2 +14x +80 = 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 80 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 -11 ( -2 ) 2 +14( -2 ) +80 = 0.

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

( x 3 -11 x 2 +14x +80 ) : (x+2) = x 2 -13x +40
-( x 3 +2 x 2 )
-13 x 2 +14x
-( -13 x 2 -26x )
40x +80
-( 40x +80 )
0

es gilt also:

x 3 -11 x 2 +14x +80 = ( x 2 -13x +40 ) · ( x +2 )

( x 2 -13x +40 ) · ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -13x +40 = 0

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

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

x1,2 = +13 ± ( -13 ) 2 -4 · 1 · 40 21

x1,2 = +13 ± 169 -160 2

x1,2 = +13 ± 9 2

x1 = 13 + 9 2 = 13 +3 2 = 16 2 = 8

x2 = 13 - 9 2 = 13 -3 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 = ( - 13 2 ) 2 - 40 = 169 4 - 40 = 169 4 - 160 4 = 9 4

x1,2 = 13 2 ± 9 4

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

x2 = 13 2 + 3 2 = 16 2 = 8


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 5

Polynomdivision mit 8

L={ -2 ; 5 ; 8 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | 4x -4 | -4 = -16

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- 1 3 | 4x -4 | -4 = -16 | +4
- 1 3 | 4x -4 | = -12 |⋅ ( -3 )
| 4x -4 | = 36

1. Fall: 4x -4 ≥ 0:

4x -4 = 36 | +4
4x = 40 |:4
x1 = 10

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

410 -4 = 36 ≥ 0

Die Lösung 10 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x -4 < 0:

-( 4x -4 ) = 36
-4x +4 = 36 | -4
-4x = 32 |:(-4 )
x2 = -8

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

4( -8 ) -4 = -36 < 0

Die Lösung -8 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -8 ; 10 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

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

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

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

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

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

4 +12t = 0
12t +4 = 0 | -4
12t = -4 |:12
t = - 1 3

Für t = - 1 3 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.