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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 + 64 x 2 und g(x)= 16x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

D=R\{0}

Wir multiplizieren den Nenner x 2 weg!

x 4 + 64 x 2 = 16x |⋅( x 2 )
x 4 · x 2 + 64 x 2 · x 2 = 16x · x 2
x 4 · x 2 +64 = 16 x · x 2
x 6 +64 = 16 x · x 2
x 6 +64 = 16 x 3
x 6 +64 = 16 x 3 | -16 x 3
x 6 -16 x 3 +64 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -16u +64 = 0

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

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

u1,2 = +16 ± ( -16 ) 2 -4 · 1 · 64 2⋅1

u1,2 = +16 ± 256 -256 2

u1,2 = +16 ± 0 2

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

u = 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 = ( -8 ) 2 - 64 = 64 - 64 = 0

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

x = 8 ± 0 = 8

Rücksubstitution:

u1: x 3 = 8

x 3 = 8 | ⋅3
x1 = 8 3 = 2

u2: x 3 = 8

x 3 = 8 | ⋅3
x2 = 8 3 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 2 }

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

x1 = 2 : f( 2 )= 16⋅2 = 32 Somit gilt: S1( 2 |32)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 2 e 2x - e x parallel zur Geraden y = 42x +5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 42x +5 gilt m = 42

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

f(x)= 1 2 e 2x - e x

f'(x)= e 2x - e x

Also muss gelten:

e 2x - e x = 42 | -42
e 2x - e x -42 = 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 -42 = 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 · ( -42 ) 2⋅1

u1,2 = +1 ± 1 +168 2

u1,2 = +1 ± 169 2

u1 = 1 + 169 2 = 1 +13 2 = 14 2 = 7

u2 = 1 - 169 2 = 1 -13 2 = -12 2 = -6

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 - ( -42 ) = 1 4 + 42 = 1 4 + 168 4 = 169 4

x1,2 = 1 2 ± 169 4

x1 = 1 2 - 13 2 = - 12 2 = -6

x2 = 1 2 + 13 2 = 14 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e x = 7

e x = 7 |ln(⋅)
x1 = ln( 7 ) ≈ 1.9459

u2: e x = -6

e x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 7 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 42 und sind somit parallel zur Geraden y = 42x +5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 3x -10 e x = 3 e 2x

Lösung einblenden
e 3x -10 e x = 3 e 2x | -3 e 2x
e 3x -3 e 2x -10 e x = 0
( e 2x -3 e x -10 ) · e x = 0

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

1. Fall:

e 2x -3 e x -10 = 0

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

Setze u = e x

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 ) 2⋅1

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 x = 5

e x = 5 |ln(⋅)
x1 = ln( 5 ) ≈ 1.6094

u2: e x = -2

e x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 5 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4x x +2 + 4x 3x -2 + -16x 2x +4 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 3 ; -2 }

4x 3x -2 + 4x x +2 - 16x 2x +4 = 0
4x 3x -2 + 4x x +2 - 16x 2( x +2 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x -2 weg!

4x 3x -2 + 4x x +2 - 16x 2( x +2 ) = 0 |⋅( 3x -2 )
4x 3x -2 · ( 3x -2 ) + 4x x +2 · ( 3x -2 )- 16x 2( x +2 ) · ( 3x -2 ) = 0
4x + 4 x · ( 3x -2 ) x +2 - 8 x · ( 3x -2 ) x +2 = 0
4x + 12 x 2 -8x x +2 - 24 x 2 -16x x +2 = 0
12 x 2 -8x -24 x 2 +16x x +2 +4x = 0
12 x 2 -24 x 2 -8x +16x x +2 +4x = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +2 weg!

12 x 2 -24 x 2 -8x +16x x +2 +4x = 0 |⋅( x +2 )
12 x 2 -24 x 2 -8x +16x x +2 · ( x +2 ) + 4x · ( x +2 ) = 0
12 x 2 -24 x 2 -8x +16x +4 x · ( x +2 ) = 0
12 x 2 -24 x 2 -8x +16x + ( 4 x 2 +8x ) = 0
-8 x 2 +16x = 0
-8 x 2 +16x = 0
8 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
-x = -2 |:(-1 )
x2 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={0; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -5 x 2 +2x +8 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -5 x 2 +2x +8 = 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 8 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 3 -5⋅ ( -1 ) 2 +2⋅( -1 ) +8 = 0.

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

( x 3 -5 x 2 +2x +8 ) : (x+1) = x 2 -6x +8
-( x 3 + x 2 )
-6 x 2 +2x
-( -6 x 2 -6x )
8x +8
-( 8x +8 )
0

es gilt also:

x 3 -5 x 2 +2x +8 = ( x 2 -6x +8 ) · ( x +1 )

( x 2 -6x +8 ) · ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

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 · 1 · 8 2⋅1

x1,2 = +6 ± 36 -32 2

x1,2 = +6 ± 4 2

x1 = 6 + 4 2 = 6 +2 2 = 8 2 = 4

x2 = 6 - 4 2 = 6 -2 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 - 8 = 9 - 8 = 1

x1,2 = 3 ± 1

x1 = 3 - 1 = 2

x2 = 3 + 1 = 4


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 2

Polynomdivision mit 4

L={ -1 ; 2 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -3x -12 | +6 = 0

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1 3 | -3x -12 | +6 = 0 | -6
1 3 | -3x -12 | = -6 |⋅3
| -3x -12 | = -18

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)= ln( x 2 - x +3 t ) genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

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

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

x 2 - x +3 t - 1 = 0

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

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

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

  • Ist 1 + ( -12t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 1 + ( -12t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 1 + ( -12t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 1 + ( -12t +4 ) = 0 wird.

1 -12t +4 = 0
-12t +5 = 0 | -5
-12t = -5 |:(-12 )
t = 5 12

Da rechts der Nullstelle t= 5 12 beispielsweise für t = 1 der Radikand 1 + ( -12⋅1 +4 ) = -7 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 1 + ( -12t +4 ) für t > 5 12 kleiner 0 und für t < 5 12 größer 0

Für t < 5 12 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.