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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 3 - 4 x und g(x)= 3x . 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 weg!

x 3 - 4 x = 3x |⋅( x )
x 3 · x - 4 x · x = 3x · x
x 3 · x -4 = 3 x · x
x 4 -4 = 3 x · x
x 4 -4 = 3 x 2
x 4 -4 = 3 x 2 | -3 x 2
x 4 -3 x 2 -4 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -3u -4 = 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 · ( -4 ) 21

u1,2 = +3 ± 9 +16 2

u1,2 = +3 ± 25 2

u1 = 3 + 25 2 = 3 +5 2 = 8 2 = 4

u2 = 3 - 25 2 = 3 -5 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 ) 2 - ( -4 ) = 9 4 + 4 = 9 4 + 16 4 = 25 4

x1,2 = 3 2 ± 25 4

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

x2 = 3 2 + 5 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = -1

x 2 = -1 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 ; 2 }

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

x1 = -2 : f( -2 )= 3( -2 ) = -6 Somit gilt: S1( -2 |-6)

x2 = 2 : f( 2 )= 32 = 6 Somit gilt: S2( 2 |6)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x - 4 3 e 3x parallel zur Geraden y = 21x -1 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 21x -1 gilt m = 21

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

f(x)= 1 6 e 6x - 4 3 e 3x

f'(x)= e 6x -4 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -4 e 3x = 21 | -21
e 6x -4 e 3x -21 = 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 -21 = 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 · ( -21 ) 21

u1,2 = +4 ± 16 +84 2

u1,2 = +4 ± 100 2

u1 = 4 + 100 2 = 4 +10 2 = 14 2 = 7

u2 = 4 - 100 2 = 4 -10 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 = ( -2 ) 2 - ( -21 ) = 4+ 21 = 25

x1,2 = 2 ± 25

x1 = 2 - 5 = -3

x2 = 2 + 5 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

e 3x = 7 |ln(⋅)
3x = ln( 7 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 7 ) ≈ 0.6486

u2: e 3x = -3

e 3x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 7 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 21 und sind somit parallel zur Geraden y = 21x -1 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden
e 4x -10 e 2x = -3 e 3x | +3 e 3x
e 4x +3 e 3x -10 e 2x = 0
( e 2x +3 e x -10 ) e 2x = 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 ) 21

u1,2 = -3 ± 9 +40 2

u1,2 = -3 ± 49 2

u1 = -3 + 49 2 = -3 +7 2 = 4 2 = 2

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

x1,2 = - 3 2 ± 49 4

x1 = - 3 2 - 7 2 = - 10 2 = -5

x2 = - 3 2 + 7 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e x = 2

e x = 2 |ln(⋅)
x1 = ln( 2 ) ≈ 0.6931

u2: e x = -5

e x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x -3 x + 3x +1 x -1 + -7x -3 x = 0

Lösung einblenden

D=R\{0; 1 }

3x -3 -7x -3 x + 3x +1 x -1 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

3x -3 -7x -3 x + 3x +1 x -1 = 0 |⋅( x )
3x -3 -7x -3 x · x + 3x +1 x -1 · x = 0
3x -3 -7x -3 + ( 3x +1 ) x x -1 = 0
3x -3 -7x -3 + 3 x 2 + x x -1 = 0
3 x 2 + x x -1 +3x -7x -3 -3 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

3 x 2 + x x -1 +3x -7x -3 -3 = 0 |⋅( x -1 )
3 x 2 + x x -1 · ( x -1 ) + 3x · ( x -1 ) -7x · ( x -1 ) -3 · ( x -1 ) -3 · ( x -1 ) = 0
3 x 2 + x +3 x ( x -1 )-7 x ( x -1 ) -3x +3 -3x +3 = 0
3 x 2 + x + ( 3 x 2 -3x ) + ( -7 x 2 +7x ) -3x +3 -3x +3 = 0
- x 2 - x +6 = 0

- x 2 - x +6 = 0

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

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

x1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · ( -1 ) · 6 2( -1 )

x1,2 = +1 ± 1 +24 -2

x1,2 = +1 ± 25 -2

x1 = 1 + 25 -2 = 1 +5 -2 = 6 -2 = -3

x2 = 1 - 25 -2 = 1 -5 -2 = -4 -2 = 2

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 "-1 " teilen:

- x 2 - x +6 = 0 |: -1

x 2 + x -6 = 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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 -25 x 2 -23x +45 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 -25 x 2 -23x +45 = 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 45 .

1 ist eine Lösung, denn 3 1 3 -25 1 2 -231 +45 = 0.

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

( 3 x 3 -25 x 2 -23x +45 ) : (x-1) = 3 x 2 -22x -45
-( 3 x 3 -3 x 2 )
-22 x 2 -23x
-( -22 x 2 +22x )
-45x +45
-( -45x +45 )
0

es gilt also:

3 x 3 -25 x 2 -23x +45 = ( 3 x 2 -22x -45 ) · ( x -1 )

( 3 x 2 -22x -45 ) ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 -22x -45 = 0

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

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

x1,2 = +22 ± ( -22 ) 2 -4 · 3 · ( -45 ) 23

x1,2 = +22 ± 484 +540 6

x1,2 = +22 ± 1024 6

x1 = 22 + 1024 6 = 22 +32 6 = 54 6 = 9

x2 = 22 - 1024 6 = 22 -32 6 = -10 6 = - 5 3

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 "3 " teilen:

3 x 2 -22x -45 = 0 |: 3

x 2 - 22 3 x -15 = 0

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

D = ( - 11 3 ) 2 - ( -15 ) = 121 9 + 15 = 121 9 + 135 9 = 256 9

x1,2 = 11 3 ± 256 9

x1 = 11 3 - 16 3 = - 5 3 = -1.6666666666667

x2 = 11 3 + 16 3 = 27 3 = 9


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit 9

L={ - 5 3 ; 1 ; 9 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -3x +6 | -7 = 5

Lösung einblenden
1 3 | -3x +6 | -7 = 5 | +7
1 3 | -3x +6 | = 12 |⋅3
| -3x +6 | = 36

1. Fall: -3x +6 ≥ 0:

-3x +6 = 36 | -6
-3x = 30 |:(-3 )
x1 = -10

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

-3( -10 ) +6 = 36 ≥ 0

Die Lösung -10 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -3x +6 < 0:

-( -3x +6 ) = 36
3x -6 = 36 | +6
3x = 42 |:3
x2 = 14

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

-314 +6 = -36 < 0

Die Lösung 14 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -10 ; 14 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen ft(x) = 0 und lösen die Gleichung einfach mal in Abhängigkeit von t:

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

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

4 t x 2 -3 = 0 | +3
4 t x 2 = 3 |:4 t
x 2 = 3 4 1 t | 2
x2 = - ( 3 4 1 t ) = - 1,7321 2 1 t
x3 = ( 3 4 1 t ) = 1,7321 2 1 t

Man erkennt schnell, dass die Wurzeln (und damit die beiden zugehörigen Lösungen) existieren, wenn t > 0 ist. Für t < 0 existieren die Wurzeln und die beiden Lösungen nicht, da etwas negatives unter der Wurzel steht.

Für t=0 ergibt sich folgende Lösung:

-3 x 2 = 0 |: ( -3 )
x 2 = 0 | 2
x = 0

Für t ≤ 0 gibt es also 1 Lösung(en).