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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= -14 e -2x +1 und g(x)= 5 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

-14 e -2x +1 = 5 e -x | -5 e -x
-5 e -x -14 e -2x +1 = 0

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

-5 e -x -14 e -2x +1 = 0 |⋅ e 2x
e 2x -5 e x -14 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u -14 = 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 · ( -14 ) 2⋅1

u1,2 = +5 ± 25 +56 2

u1,2 = +5 ± 81 2

u1 = 5 + 81 2 = 5 +9 2 = 14 2 = 7

u2 = 5 - 81 2 = 5 -9 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 = ( - 5 2 ) 2 - ( -14 ) = 25 4 + 14 = 25 4 + 56 4 = 81 4

x1,2 = 5 2 ± 81 4

x1 = 5 2 - 9 2 = - 4 2 = -2

x2 = 5 2 + 9 2 = 14 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e x = 7

e x = 7 |ln(⋅)
x1 = ln( 7 ) ≈ 1.9459

u2: e x = -2

e x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 7 ) }

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

x1 = ln( 7 ) : f( ln( 7 ) )= 5 e -( ln( 7 ) ) = 0.714 Somit gilt: S1( ln( 7 ) |0.714)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x -3 e 2x parallel zur Geraden y = -5x -3 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -5x -3 gilt m = -5

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

f(x)= 1 4 e 4x -3 e 2x

f'(x)= e 4x -6 e 2x

Also muss gelten:

e 4x -6 e 2x = -5 | +5
e 4x -6 e 2x +5 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -6u +5 = 0

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

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

u1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · 5 2⋅1

u1,2 = +6 ± 36 -20 2

u1,2 = +6 ± 16 2

u1 = 6 + 16 2 = 6 +4 2 = 10 2 = 5

u2 = 6 - 16 2 = 6 -4 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 = ( -3 ) 2 - 5 = 9 - 5 = 4

x1,2 = 3 ± 4

x1 = 3 - 2 = 1

x2 = 3 + 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 = 1

e 2x = 1 |ln(⋅)
2x = 0 |:2
x2 = 0 ≈ 0

L={0; 1 2 ln( 5 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -5 und sind somit parallel zur Geraden y = -5x -3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 7x -4 e 4x +3 e x = 0

Lösung einblenden
e 7x -4 e 4x +3 e x = 0
( e 6x -4 e 3x +3 ) · e x = 0

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

1. Fall:

e 6x -4 e 3x +3 = 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 +3 = 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 · 3 2⋅1

u1,2 = +4 ± 16 -12 2

u1,2 = +4 ± 4 2

u1 = 4 + 4 2 = 4 +2 2 = 6 2 = 3

u2 = 4 - 4 2 = 4 -2 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 = ( -2 ) 2 - 3 = 4 - 3 = 1

x1,2 = 2 ± 1

x1 = 2 - 1 = 1

x2 = 2 + 1 = 3

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 3

e 3x = 3 |ln(⋅)
3x = ln( 3 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 3 ) ≈ 0.3662

u2: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x2 = 0 ≈ 0

2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0; 1 3 ln( 3 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 2x -3 + 5x +1 x +1 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 3 2 ; -1 }

x 2x -3 + 5x +1 x +1 -5 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x -3 weg!

x 2x -3 + 5x +1 x +1 -5 = 0 |⋅( 2x -3 )
x 2x -3 · ( 2x -3 ) + 5x +1 x +1 · ( 2x -3 ) -5 · ( 2x -3 ) = 0
x + ( 5x +1 ) · ( 2x -3 ) x +1 -10x +15 = 0
x + 10 x 2 -13x -3 x +1 -10x +15 = 0
10 x 2 -13x -3 x +1 + x -10x +15 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +1 weg!

10 x 2 -13x -3 x +1 + x -10x +15 = 0 |⋅( x +1 )
10 x 2 -13x -3 x +1 · ( x +1 ) + x · ( x +1 ) -10x · ( x +1 ) + 15 · ( x +1 ) = 0
10 x 2 -13x -3 + x · ( x +1 )-10 x · ( x +1 ) +15x +15 = 0
10 x 2 -13x -3 + ( x 2 + x ) + ( -10 x 2 -10x ) +15x +15 = 0
x 2 -7x +12 = 0

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 2⋅1

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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 3 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 +17 x 2 +33x +18 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 +17 x 2 +33x +18 = 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 18 .

-1 ist eine Lösung, denn 2⋅ ( -1 ) 3 +17⋅ ( -1 ) 2 +33⋅( -1 ) +18 = 0.

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

( 2 x 3 +17 x 2 +33x +18 ) : (x+1) = 2 x 2 +15x +18
-( 2 x 3 +2 x 2 )
15 x 2 +33x
-( 15 x 2 +15x )
18x +18
-( 18x +18 )
0

es gilt also:

2 x 3 +17 x 2 +33x +18 = ( 2 x 2 +15x +18 ) · ( x +1 )

( 2 x 2 +15x +18 ) · ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 +15x +18 = 0

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

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

x1,2 = -15 ± 15 2 -4 · 2 · 18 2⋅2

x1,2 = -15 ± 225 -144 4

x1,2 = -15 ± 81 4

x1 = -15 + 81 4 = -15 +9 4 = -6 4 = -1,5

x2 = -15 - 81 4 = -15 -9 4 = -24 4 = -6

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 +15x +18 = 0 |: 2

x 2 + 15 2 x +9 = 0

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

D = ( 15 4 ) 2 - 9 = 225 16 - 9 = 225 16 - 144 16 = 81 16

x1,2 = - 15 4 ± 81 16

x1 = - 15 4 - 9 4 = - 24 4 = -6

x2 = - 15 4 + 9 4 = - 6 4 = -1.5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; -1,5 ; -1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -2x +10 | +9 = 15

Lösung einblenden
1 3 | -2x +10 | +9 = 15 | -9
1 3 | -2x +10 | = 6 |⋅3
| -2x +10 | = 18

1. Fall: -2x +10 ≥ 0:

-2x +10 = 18 | -10
-2x = 8 |:(-2 )
x1 = -4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +10 ≥ 0) genügt:

-2⋅( -4 ) +10 = 18 ≥ 0

Die Lösung -4 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x +10 < 0:

-( -2x +10 ) = 18
2x -10 = 18 | +10
2x = 28 |:2
x2 = 14

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +10 < 0) genügt:

-2⋅14 +10 = -18 < 0

Die Lösung 14 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -4 ; 14 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 -3x - t ) · e 1 2 x genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 -3x - t ) · e 1 2 x genau dann = 0, wenn x 2 -3x - t = 0 oder e 1 2 x = 0 gilt:

Da ja aber e 1 2 x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 -3x - t zu untersuchen:

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

x1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( - t ) 2⋅1 = +3 ± 9 +4 t 2

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

  • Ist 9 +4 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 +4 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 +4 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 +4 t = 0 wird.

9 +4t = 0
4t +9 = 0 | -9
4t = -9 |:4
t = - 9 4 = -2.25

Da rechts der Nullstelle t= - 9 4 beispielsweise für t = -1 der Radikand 9 +4⋅( -1 ) = 5 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 9 +4 t für t > - 9 4 größer 0 und für t < - 9 4 kleiner 0

Für t < - 9 4 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.