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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x -24 e 2x und g(x)= -2 e 3x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 4x -24 e 2x = -2 e 3x | +2 e 3x
e 4x +2 e 3x -24 e 2x = 0
( e 2x +2 e x -24 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 2x +2 e x -24 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u -24 = 0

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

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -24 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +96 2

u1,2 = -2 ± 100 2

u1 = -2 + 100 2 = -2 +10 2 = 8 2 = 4

u2 = -2 - 100 2 = -2 -10 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 - ( -24 ) = 1+ 24 = 25

x1,2 = -1 ± 25

x1 = -1 - 5 = -6

x2 = -1 + 5 = 4

Rücksubstitution:

u1: e x = 4

e x = 4 |ln(⋅)
x1 = ln( 4 ) ≈ 1.3863
x1 = 2 ln( 2 )

u2: e x = -6

e x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 ln( 2 ) }

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

x1 = 2 ln( 2 ) : f( 2 ln( 2 ) )= -2 e 3( 2 ln( 2 ) ) = -128 Somit gilt: S1( 2 ln( 2 ) |-128)

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 = -3x +4 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -3x +4 gilt m = -3

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 = -3 | +3
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 21

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

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

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -3 und sind somit parallel zur Geraden y = -3x +4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 6 -13 x 4 +36 x 2 = 0

Lösung einblenden
x 6 -13 x 4 +36 x 2 = 0
x 2 ( x 4 -13 x 2 +36 ) = 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:

x 4 -13 x 2 +36 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -13u +36 = 0

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

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

u1,2 = +13 ± ( -13 ) 2 -4 · 1 · 36 21

u1,2 = +13 ± 169 -144 2

u1,2 = +13 ± 25 2

u1 = 13 + 25 2 = 13 +5 2 = 18 2 = 9

u2 = 13 - 25 2 = 13 -5 2 = 8 2 = 4

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 - 36 = 169 4 - 36 = 169 4 - 144 4 = 25 4

x1,2 = 13 2 ± 25 4

x1 = 13 2 - 5 2 = 8 2 = 4

x2 = 13 2 + 5 2 = 18 2 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x2 = - 9 = -3
x3 = 9 = 3

u2: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x4 = - 4 = -2
x5 = 4 = 2

L={ -3 ; -2 ; 0; 2 ; 3 }

0 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

12x x -2 + 8x -1 3x -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 0}

12x x -2 + 8x -1 3x -7 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

12x x -2 + 8x -1 3x -7 = 0 |⋅( x -2 )
12x x -2 · ( x -2 ) + 8x -1 3x · ( x -2 ) -7 · ( x -2 ) = 0
12x + ( 8x -1 ) ( x -2 ) 3x -7x +14 = 0
12x + 8 x 2 -17x +2 3x -7x +14 = 0
8 x 2 -17x +2 3x +12x -7x +14 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x weg!

8 x 2 -17x +2 3x +12x -7x +14 = 0 |⋅( 3x )
8 x 2 -17x +2 3x · 3x + 12x · 3x -7x · 3x + 14 · 3x = 0
8 x 2 -17x +2 +36 x · x -21 x · x +42x = 0
8 x 2 -17x +2 +36 x 2 -21 x 2 +42x = 0
23 x 2 +25x +2 = 0

23 x 2 +25x +2 = 0

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

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

x1,2 = -25 ± 25 2 -4 · 23 · 2 223

x1,2 = -25 ± 625 -184 46

x1,2 = -25 ± 441 46

x1 = -25 + 441 46 = -25 +21 46 = -4 46 = - 2 23 ≈ -0.09

x2 = -25 - 441 46 = -25 -21 46 = -46 46 = -1

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 "23 " teilen:

23 x 2 +25x +2 = 0 |: 23

x 2 + 25 23 x + 2 23 = 0

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

D = ( 25 46 ) 2 - ( 2 23 ) = 625 2116 - 2 23 = 625 2116 - 184 2116 = 441 2116

x1,2 = - 25 46 ± 441 2116

x1 = - 25 46 - 21 46 = - 46 46 = -1

x2 = - 25 46 + 21 46 = - 4 46 = -0.08695652173913

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; - 2 23 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +11 x 2 + x -15 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +11 x 2 + x -15 = 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 -15 .

1 ist eine Lösung, denn 3 1 3 +11 1 2 +1 -15 = 0.

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

( 3 x 3 +11 x 2 + x -15 ) : (x-1) = 3 x 2 +14x +15
-( 3 x 3 -3 x 2 )
14 x 2 + x
-( 14 x 2 -14x )
15x -15
-( 15x -15 )
0

es gilt also:

3 x 3 +11 x 2 + x -15 = ( 3 x 2 +14x +15 ) · ( x -1 )

( 3 x 2 +14x +15 ) ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +14x +15 = 0

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

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

x1,2 = -14 ± 14 2 -4 · 3 · 15 23

x1,2 = -14 ± 196 -180 6

x1,2 = -14 ± 16 6

x1 = -14 + 16 6 = -14 +4 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -14 - 16 6 = -14 -4 6 = -18 6 = -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 +14x +15 = 0 |: 3

x 2 + 14 3 x +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 = ( 7 3 ) 2 - 5 = 49 9 - 5 = 49 9 - 45 9 = 4 9

x1,2 = - 7 3 ± 4 9

x1 = - 7 3 - 2 3 = - 9 3 = -3

x2 = - 7 3 + 2 3 = - 5 3 = -1.6666666666667


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -3

L={ -3 ; - 5 3 ; 1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 3x +3 | +4 = 16

Lösung einblenden
| 3x +3 | +4 = 16 | -4
| 3x +3 | = 12

1. Fall: 3x +3 ≥ 0:

3x +3 = 12 | -3
3x = 9 |:3
x1 = 3

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

33 +3 = 12 ≥ 0

Die Lösung 3 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x +3 < 0:

-( 3x +3 ) = 12
-3x -3 = 12 | +3
-3x = 15 |:(-3 )
x2 = -5

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

3( -5 ) +3 = -12 < 0

Die Lösung -5 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -5 ; 3 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 -4x +2 t ) genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

ln( x 2 -4x +2 t ) = 0

x 2 -4x +2 t = 1 |-1

x 2 -4x +2 t - 1 = 0

x 2 -4x + 2t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 1 · ( 2t -1 ) 21 = +4 ± 16 + ( -8t +4 ) 2

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

  • Ist 16 + ( -8t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 16 + ( -8t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 16 + ( -8t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 16 + ( -8t +4 ) = 0 wird.

16 -8t +4 = 0
-8t +20 = 0 | -20
-8t = -20 |:(-8 )
t = 5 2 = 2.5

Da rechts der Nullstelle t= 5 2 beispielsweise für t = 4 der Radikand 16 + ( -84 +4 ) = -12 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 16 + ( -8t +4 ) für t > 5 2 kleiner 0 und für t < 5 2 größer 0

Für t > 5 2 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.