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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 8 -9 x 5 und g(x)= -8 x 2 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 8 -9 x 5 = -8 x 2 | +8 x 2
x 8 -9 x 5 +8 x 2 = 0
x 2 ( x 6 -9 x 3 +8 ) = 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 6 -9 x 3 +8 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -9u +8 = 0

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

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

u1,2 = +9 ± ( -9 ) 2 -4 · 1 · 8 21

u1,2 = +9 ± 81 -32 2

u1,2 = +9 ± 49 2

u1 = 9 + 49 2 = 9 +7 2 = 16 2 = 8

u2 = 9 - 49 2 = 9 -7 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 = ( - 9 2 ) 2 - 8 = 81 4 - 8 = 81 4 - 32 4 = 49 4

x1,2 = 9 2 ± 49 4

x1 = 9 2 - 7 2 = 2 2 = 1

x2 = 9 2 + 7 2 = 16 2 = 8

Rücksubstitution:

u1: x 3 = 8

x 3 = 8 | 3
x2 = 8 3 = 2

u2: x 3 = 1

x 3 = 1 | 3
x3 = 1 3 = 1

L={0; 1 ; 2 }

0 ist 2-fache Lösung!

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

x1 = 0: f(0)= -8 0 2 = -0 Somit gilt: S1(0|-0)

x2 = 1 : f( 1 )= -8 1 2 = -8 Somit gilt: S2( 1 |-8)

x3 = 2 : f( 2 )= -8 2 2 = -32 Somit gilt: S3( 2 |-32)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 3 x 3 - 1 2 x 2 parallel zur Geraden y = 20x -5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 20x -5 gilt m = 20

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

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

f'(x)= x 2 - x

Also muss gelten:

x 2 - x = 20 | -20

x 2 - x -20 = 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 · ( -20 ) 21

x1,2 = +1 ± 1 +80 2

x1,2 = +1 ± 81 2

x1 = 1 + 81 2 = 1 +9 2 = 10 2 = 5

x2 = 1 - 81 2 = 1 -9 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 = ( - 1 2 ) 2 - ( -20 ) = 1 4 + 20 = 1 4 + 80 4 = 81 4

x1,2 = 1 2 ± 81 4

x1 = 1 2 - 9 2 = - 8 2 = -4

x2 = 1 2 + 9 2 = 10 2 = 5

L={ -4 ; 5 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 20 und sind somit parallel zur Geraden y = 20x -5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 3x -7 e 2x +10 e x = 0

Lösung einblenden
e 3x -7 e 2x +10 e x = 0
( e 2x -7 e x +10 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 2x -7 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 -7u +10 = 0

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

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

u1,2 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · 1 · 10 21

u1,2 = +7 ± 49 -40 2

u1,2 = +7 ± 9 2

u1 = 7 + 9 2 = 7 +3 2 = 10 2 = 5

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

x1,2 = 7 2 ± 9 4

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

x2 = 7 2 + 3 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 |ln(⋅)
x2 = ln( 2 ) ≈ 0.6931

2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

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

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4x 3x -1 + x -1 2x -2 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 3 ; 0}

4x 3x -1 + x -1 2x -2 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x -1 weg!

4x 3x -1 + x -1 2x -2 = 0 |⋅( 3x -1 )
4x 3x -1 · ( 3x -1 ) + x -1 2x · ( 3x -1 ) -2 · ( 3x -1 ) = 0
4x + ( x -1 ) ( 3x -1 ) 2x -6x +2 = 0
4x + 3 x 2 -4x +1 2x -6x +2 = 0
3 x 2 -4x +1 2x +4x -6x +2 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x weg!

3 x 2 -4x +1 2x +4x -6x +2 = 0 |⋅( 2x )
3 x 2 -4x +1 2x · 2x + 4x · 2x -6x · 2x + 2 · 2x = 0
3 x 2 -4x +1 +8 x · x -12 x · x +4x = 0
3 x 2 -4x +1 +8 x 2 -12 x 2 +4x = 0
- x 2 +1 = 0
- x 2 +1 = 0 | -1
- x 2 = -1 |: ( -1 )
x 2 = 1 | 2
x1 = - 1 = -1
x2 = 1 = 1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 1 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +12 x 2 +41x +42 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +12 x 2 +41x +42 = 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 42 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 +12 ( -2 ) 2 +41( -2 ) +42 = 0.

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

( x 3 +12 x 2 +41x +42 ) : (x+2) = x 2 +10x +21
-( x 3 +2 x 2 )
10 x 2 +41x
-( 10 x 2 +20x )
21x +42
-( 21x +42 )
0

es gilt also:

x 3 +12 x 2 +41x +42 = ( x 2 +10x +21 ) · ( x +2 )

( x 2 +10x +21 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +10x +21 = 0

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

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

x1,2 = -10 ± 10 2 -4 · 1 · 21 21

x1,2 = -10 ± 100 -84 2

x1,2 = -10 ± 16 2

x1 = -10 + 16 2 = -10 +4 2 = -6 2 = -3

x2 = -10 - 16 2 = -10 -4 2 = -14 2 = -7

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 - 21 = 25 - 21 = 4

x1,2 = -5 ± 4

x1 = -5 - 2 = -7

x2 = -5 + 2 = -3


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -3

Polynomdivision mit -7

L={ -7 ; -3 ; -2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 2 | 3x +6 | -8 = -11

Lösung einblenden
- 1 2 | 3x +6 | -8 = -11 | +8
- 1 2 | 3x +6 | = -3 |⋅ ( -2 )
| 3x +6 | = 6

1. Fall: 3x +6 ≥ 0:

3x +6 = 6 | -6
3x = 0 |:3
x1 = 0

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

30 +6 = 6 ≥ 0

Die Lösung 0 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x +6 < 0:

-( 3x +6 ) = 6
-3x -6 = 6 | +6
-3x = 12 |:(-3 )
x2 = -4

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

3( -4 ) +6 = -6 < 0

Die Lösung -4 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -4 ; 0}

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 t x genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

Da ja aber e 1 2 t 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 ) 21 = +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 positiv und es gibt zwei Lösungen.